物理学家在伊利诺伊州的一项实验中捕捉到被称为中微子的幽灵粒子行为异常，这表明存在一种额外的中微子。如果得到证实，这些发现将是革命性的，将一种新的基本粒子引入物理学的词汇，甚至可能有助于解释暗物质之谜。
尽管没有人对观测结果的实际含义达成一致，但专家们还是于 6 月在德国举行的中微子会议上兴奋地讨论了这些以及其他影响深远的意义。
中微子本身就令人困惑。这些微小的粒子在宇宙的最初时刻以及今天在恒星的核心和核反应堆的核心中形成，以接近光速的速度传播，几乎不与其他任何物质相互作用；每天有数十亿个中微子无害地穿过你的身体，而一个典型的中微子可以毫发无损地穿过一层厚达一光年的铅。自从 20 世纪中期被发现以来，中微子曾被预测为完全没有质量，但 20 世纪 90 年代的实验表明它们确实具有一定的质量——尽管物理学家仍然不确切知道质量有多大。更奇怪的是，它们有三种已知的类型或味——电子中微子、μ子中微子和τ子中微子——最奇怪的是，它们可以从一种味转变为另一种味。由于这些和其他怪异之处，许多物理学家一直押注中微子将打开通往物理学下一个前沿的大门。
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现在有些人认为这扇门已经打开了一条缝。这一发现来自费米国家加速器实验室（位于伊利诺伊州巴塔维亚）的 Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) 收集的 15 年的数据。MiniBooNE 通过中微子偶尔撞击装满 800 吨纯矿物油的巨型容器中的原子核时产生的闪光来探测和表征中微子。它的设计与早期的液闪烁体中微子探测器 (LSND) 项目（位于新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室）类似。在 20 世纪 90 年代，LSND 观察到一个奇怪的异常现象，即粒子束中电子中微子的数量多于预期，而粒子束最初是μ子中微子；MiniBooNE 现在也看到了同样的情况，在一个由费米实验室的粒子加速器之一产生的中微子束中。
由于μ子中微子不可能在 LSND 实验的短距离内直接转变为电子味，当时的理论家提出，一些粒子正在振荡成第四种味——“惰性中微子”——然后转变为电子中微子，从而产生神秘的过量。尽管这种可能性很诱人，但许多物理学家认为这些发现是一个侥幸，是由 LSND 特有的一些平凡错误造成的。但是，既然 MiniBooNE 已经观察到完全相同的模式，科学家们不得不考虑这种现象可能更深刻的原因。“现在你真的必须说你有两个实验看到了相同的物理效应，所以一定有一些基本的东西在发生，”MiniBooNE 联合发言人、洛斯阿拉莫斯的理查德·范德瓦特说。“人们再也不能忽视这一点了。”
MiniBooNE 团队于 5 月 30 日将他们的发现提交给了预印本服务器 arXiv，并在 6 月在德国海德堡举行的第二十八届国际中微子物理学和天体物理学会议上进行了展示。
第四种味
惰性中微子是一个令人兴奋的前景，但外部专家表示，现在断定这些粒子是观测结果背后的原因还为时过早。“如果是惰性中微子，那将是革命性的，”未参与这项研究的英国科学与技术设施委员会首席执行官、中微子物理学家马克·汤姆森说。“但这是一个很大的‘如果’。”
这种新的味将被称为“惰性”，因为这些粒子不会感受到任何自然力，除了引力，这将有效地阻止与粒子世界其他部分的通信。即便如此，它们仍然具有质量，可能使它们成为神秘的“暗物质”的有吸引力的解释，“暗物质”似乎为星系和星系团贡献了额外的质量。“如果存在惰性中微子，它不仅仅是一些额外的粒子在那里闲逛，而可能是一些通往宇宙‘暗区’的信使，”范德瓦特说。“这就是为什么这真的令人兴奋。”然而，MiniBooNE 中可能出现的惰性中微子似乎太轻了，无法解释暗物质本身——相反，它们可能是各种质量的整个惰性中微子群体的先锋。“一旦存在一种[惰性中微子]，就会引出一个问题：有多少种？”加州大学欧文分校的理论物理学家凯沃克·阿巴扎吉安说。“它们可以参与振荡并成为暗物质。”
然而，这些发现很难解释，因为如果中微子在 MiniBooNE 中转变为惰性中微子，那么科学家们预计不仅会测量到额外的电子中微子的出现，还会测量到μ子中微子的相应消失，就像等式的两边一样平衡。然而，MiniBooNE 和其他实验并没有看到这种消失。“这是一个问题，但这不是一个大问题，”费米实验室的理论物理学家安德烈·德·古维亚说。“之所以说这不是反对惰性中微子假设的铁证，是因为[探测]消失非常困难。你必须确切地知道你一开始有多少，这是一个挑战。”
另一个谜团？
或者，MiniBooNE 可能发现了一些重大发现，但不是惰性中微子。也许宇宙的某些其他新方面是实验粒子束中意外粒子模式的原因。“现在人们正在思考是否还有其他可能解决这种歧义的新现象，”德·古维亚说。“也许中微子有一些我们没有想到的新力，或者也许中微子以某种有趣的方式衰变。感觉我们还没有找到正确的假设。”
不同寻常的是，这是一个物理学家不必等待太久就能解开的谜团。费米实验室的另一项名为 MicroBooNE 的实验旨在跟踪 MiniBooNE，并且能够更仔细地研究这种过量。MiniBooNE 的一个缺点是它不能确定它看到的光闪烁是否真的来自中微子——可能是一些未知的过程正在产生过量的光子，这些光子模仿了中微子信号。MicroBooNE 应该在今年晚些时候交付其首批数据，它可以区分中微子信号和冒名顶替者。如果信号结果是普通光子的过量，而不是电子中微子，那么一切都将落空。“我们不知道在物理学方面是什么会导致这种情况，但如果它是由光子引起的，我们知道这种惰性中微子解释是不正确的，”德·古维亚说。
除了 MicroBooNE 之外，费米实验室还在建造另外两个探测器，它们将位于同一束中微子上，并协同工作以研究那里发生的中微子振荡。新系统统称为短基线中微子计划，预计将于 2020 年投入运行，并可能在本十年初期提供确凿的数据，费米实验室中微子部门负责人史蒂夫·布莱斯说。
在此之前，物理学家将继续辩论中微子的奥秘——这是一个规模和兴奋度每年都在增长的领域。例如，在海德堡举行的会议是有史以来规模最大的中微子会议。“在过去十年中，它一直在稳步上升，”布莱斯说。“这是一个难以研究的领域，但事实证明它是一个非常有成效的物理学领域。”