很少有物理学家有幸将一种新的基本粒子带到这个世界上。然而，当沃尔夫冈·泡利在1930年想到中微子的概念时，内心的不安抑制了他的反应。“我做了一件可怕的事情，”泡利后来告诉他的同事。“我假设了一种无法被探测到的粒子。”中微子确实难以捉摸——它幽灵般的性质使它能够穿过几乎所有的物理屏障，包括物理学家在粒子探测器中使用的材料。事实上，大多数中微子都干净利落地穿过地球，甚至没有碰到另一个粒子。然而，事实证明泡利的担忧有点言过其实：中微子是可以被探测到的——尽管这样做需要付出巨大的努力和实验的独创性。
中微子在其他方面也是最奇怪的基本粒子。它们不构成原子，也与化学没有任何关系。它们是唯一电中性的物质粒子。它们极其轻——不到最轻的物质成分电子的百万分之一。而且，与其他粒子相比，中微子更会变形；它们在三种类型或“味”之间转换。
这些微小的粒子让物理学家们持续震惊了80多年。即使在今天，关于中微子的基本问题仍然没有答案：中微子只有三种味，还是存在更多种味？为什么所有中微子都如此轻？中微子是它们自己的反物质对应物吗？为什么中微子如此惊人地改变特性？
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在世界各地——在粒子对撞机、核反应堆和废弃的矿井中——可以解决这些问题的新实验正在上线。它们提供的答案应该为自然的内在运作提供重要的线索。
中微子的奇异性使其成为指引粒子物理学家进行艰巨航行的北极星，这场航行旨在构建一个所谓的“大统一理论”，以一致的数学框架描述除引力之外的所有粒子和力。粒子物理学的标准模型是迄今为止关于粒子和力的最佳理论，但它无法容纳中微子的所有复杂性。它必须被扩展。
轻质量但紧迫
构建标准模型中微子部分的常用方法是引入称为右手中微子的新实体。手征性是电荷的一种变体，它决定了粒子是否感受到弱相互作用，即负责放射性衰变的力；粒子必须是左手性的才能感受到弱力。因此，这些假设的右手粒子将比它们的左手同伴——实验证明的标准模型中微子——更加难以捉摸。所有中微子都被归类为轻子——也包括电子的扩展粒子家族——这意味着它们不感受将原子核中的质子和中子结合在一起的强力。由于缺乏电荷，中微子也不直接感受电磁力。对于已知的三个中微子味，只剩下引力和弱相互作用力，但右手性中微子甚至对弱力也是不可见的。
如果存在右手中微子，它将为另一个中微子难题提供一个非常合理的解释：为什么三种左手性中微子——电子中微子、μ子中微子和τ子中微子——都具有如此小的质量。
大多数基本粒子通过与普遍存在的希格斯场相互作用来获得质量。（希格斯在3月份成为头条新闻，当时日内瓦附近欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的物理学家宣布，结果强烈表明2012年发现的一种新粒子确实是长期以来寻找的希格斯玻色子。该玻色子是希格斯场的粒子对应物，正如光子是电磁场的对应物一样。）在这个过程中，希格斯带走了粒子的弱力版本的电荷。由于右手中微子缺乏这种电荷，它们的质量并不依赖于希格斯场。相反，它可能来自大统一的极高能量下的另一种机制，这将使右手中微子变得非常重。
量子效应可以将右手中微子与其左手同胞联系起来，从而导致一个粒子的巨大质量“感染”另一个粒子。然而，这种传染性将非常弱——如果右手中微子患上肺炎，左手中微子只会患上轻微咳嗽——这意味着左手质量将非常小。这种关系被称为跷跷板机制，因为一个大质量会抬升或抬起一个较小的质量。
中微子质量的另一种解释来自超对称性，它是标准模型之外新物理学的主要候选者。在超对称性假设中，标准模型中的每个粒子都有一个尚未被发现的伙伴。所谓的超对称粒子必须非常巨大才能至今逃脱探测，这将立即至少使基本粒子的数量增加一倍。如果超对称粒子存在，LHC可能能够产生它们并测量它们的特性。
超对称性最吸引人的特性之一是，被称为中性子的超粒子是暗物质的良好候选者——星系和星系团中的质量，它施加引力，但不发光，也不以其他明显的方式显现自身。只有当中性子在很长一段时间内保持稳定，而不是迅速衰变为其他粒子时，它才符合暗物质的要求。
因此，寿命短暂的中性子会将暗物质研究人员送回绘图板，但可能证明对中微子物理学家来说是一个福音。中性子的稳定性取决于一个假设的性质，称为R奇偶性，它阻止了超对称伙伴衰变为任何普通标准模型粒子。然而，如果R奇偶性不成立，中性子就会变得不稳定——其衰变部分取决于中微子的质量。
我们中的两人（希尔什和波罗德）与西班牙瓦伦西亚大学的何塞·巴列和葡萄牙里斯本技术大学的豪尔赫·C·罗马奥合作，已经证明中微子和中性子之间的联系可以在LHC上进行测试。如果中性子的稳定性确实取决于中微子，那么中性子的寿命将可以从已知的中微子特性中预测出来。而且恰好超粒子应该存在足够长的时间，以便物理学家能够追踪其整个寿命——从产生到衰变——在LHC的探测器内部。
什么是反物质？
对中微子微小质量的所有合理解释都指向了未开发的物理学领域。然而，其中一种解释——跷跷板机制——也可能与物质如何战胜反物质的谜团有关——这场胜利使宇宙结构的形成以及最终生命的进化成为可能。
标准模型中的每个粒子都有一个反物质对应物，一种具有相反电荷的“比扎罗世界”版本。例如，电子的电荷为-1，而反电子或正电子的电荷为+1。当电子和正电子碰撞时，它们的电荷相互抵消，粒子在辐射爆发中湮灭。右手中微子的完全不带电荷可能具有重要的意义：这可能意味着，对于中微子来说，物质和反物质是相同的。在物理学术语中，电子和正电子被称为狄拉克粒子。另一方面，自身是反物质对应物的粒子是马约拉纳粒子。
如果跷跷板理论准确地反映了粒子世界的运作方式，那么左手中微子不仅感染了质量，还感染了右手中微子的马约拉纳性。换句话说，如果一些中微子是它们自身的反粒子，那么所有的中微子都是。
中微子及其反粒子是同一个粒子将有各种有趣的含义。例如，中微子可以触发粒子和反粒子之间的跃迁。在大多数粒子反应中，所谓的轻子数，或轻子数减去反轻子数，是守恒的——它不会改变。然而，中微子可能会违反这条规则，造成物质和反物质的不平衡。对于我们人类来说，这种不平衡是一件非常好的事情，因为如果物质和反物质在大爆炸后平等配对，它们将完全相互湮灭，不留下任何东西来构建星系、行星和生命形式。长期以来，物质支配反物质的解释一直困扰着物理学家和宇宙学家。
消失的行动
中微子及其反粒子之间的联系不必停留在诱人但最终未解决的理论领域。过去和现在的许多实验都在寻求明确回答中微子是否实际上是它们自身的反粒子，方法是寻找一种称为核双β衰变的放射性事件。
中微子和反中微子最初是在核β衰变中被观察到的，原子通过核β衰变发射一个电子，以及一个反中微子。在一些核同位素中，可以同时发生两个β衰变，在正常情况下，会发射两个电子和两个反中微子。然而，如果中微子是马约拉纳粒子，那么在第一次衰变中发射的同一个反中微子可以在第二次衰变中被吸收。结果是双β衰变不发射任何中微子或反中微子[见对页的方框]。转眼间，在以前没有轻子的地方，出现了两个轻子（电子），而没有它们通常的、平衡的反轻子（反中微子）。换句话说，这种所谓的无中微子双β衰变违反了轻子数守恒。
目前，寻找无中微子双β衰变是我们检验特别是马约拉纳中微子和一般轻子数违反的最佳方法。原则上，无中微子双β衰变实验很简单：收集一种核同位素，如锗76，其中可能发生同时β衰变，然后等待出现两个没有中微子陪伴的电子。然而，实际上，这些实验非常困难。任何类型的双β衰变都极其罕见，因此实验者必须收集大量的锗或其他源材料，才能有望记录无中微子变体。更糟糕的是，从宇宙射线中不断降落在地球上的亚原子粒子流倾向于淹没来自双β衰变的微小信号。因此，实验人员必须将他们的探测器深埋在地下或以前的矿井或其他地下实验室中，在那里，上覆的岩石可以屏蔽几乎所有的宇宙射线。
不幸的是，迄今为止关于无中微子双β衰变的唯一报告，来自意大利的海德堡-莫斯科双β衰变实验，受到了其他物理学家的强烈质疑。刚刚开始获取数据或正在建设中的下一代探测器将进行更彻底的搜索。在新墨西哥州进行的名为EXO-200的实验和在日本进行的名为KamLAND-Zen的实验最近公布了他们搜索无中微子双β衰变的初步数据，这与早期的说法产生了摩擦，但并未明确排除它。
意大利的GERDA实验于2011年上线，它使用与海德堡-莫斯科装置相同的同位素，采用改进的设计，旨在直接对抗其前任的争议性发现。EXO-200和KamLAND-Zen实验都在继续运行，一个名为CUORE的装置计划于2014年在意大利开始获取数据。目前正在进行的大量先进实验为在本十年末之前确认无中微子双β衰变提供了非常合理的希望。
光开关
发现一个尚未被发现的中微子或证明中微子和反中微子是同一个粒子，将为这些已经令人困惑的粒子增加一个全新的神秘层面。但是，即使我们物理学家们在寻找这些粒子的新方面，我们仍在努力解决中微子的一个有据可查但知之甚少的属性——它们强烈的变形倾向背后的机制。在文献中，我们说，轻子味违反量或中微子混合量与夸克味之间的混合量相比很大，夸克是构成质子和中子的基本粒子。
世界各地的许多研究小组正在研究新构想的自然对称性——表面上不同的力和粒子之间的关键共性——如何解释这种行为。一个例子是已知粒子从一种粒子转变为另一种粒子的方式中固有的对称性。加尔各答萨哈核物理研究所的 Gautam Bhattacharyya、德国多特蒙德技术大学的 Philipp Leser 和我们中的一位（Päs）最近发现，这种对称性将显著影响希格斯场。夸克和中微子与希格斯场的味交换相互作用将体现在希格斯玻色子的奇异衰变产物中，这些产物应该可以在LHC上观察到。这样的信号可能指向中微子过度活跃的嬗变背后的潜在机制，这肯定将是LHC最引人注目的发现之一。
与此同时，另一类实验正在确定粒子身份转换的频率。日本的T2K、明尼苏达州的MINOS和意大利的OPERA等长基线实验探测了来自数百公里外的粒子加速器的中微子束，以测量中微子穿过地球长距离时的味道变化[见第23页的方框]。这些实验的规模如此之大，以至于中微子在旅程中可能会跨越州界甚至国际边界。（2011年，OPERA成为新闻，当时该合作组织的物理学家宣布，他们实验中的中微子似乎以超过光速的速度从欧洲核子研究中心传播到意大利的一个地下实验室——这一测量结果很快被证明是有缺陷的。）为了补充这些长距离中微子实验，法国的Double Chooz项目、中国的大亚湾反应堆中微子实验和韩国的RENO都测量了来自核反应堆的中微子的短程振荡。
直到2012年，这些实验才最终确定了所谓的混合角中最后一个也是最小的一个——控制中微子味之间转换的参数。最后一个被确定的混合角，被称为反应堆角，描述了电子中微子或反中微子在短基线上的转换概率。反应堆角的测量开启了未来中微子实验可能能够比较中微子和反中微子的特性的可能性。粒子及其反物质对应物之间的不对称性将被称为CP破坏，并且与无中微子双β衰变的研究一起，可能与宇宙中为什么物质多于反物质的谜团有关。
在正在进行的搜索中，T2K可能最有机会看到CP破坏的迹象。但是，新一代实验正在竞相回答关键的中微子问题——而且这有望令人兴奋。目前正在美国建设的长基线NOvA实验也有可能发现中微子中的CP破坏。NOvA将从伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室向威斯康星州和苏必利尔湖尖端的探测器发射中微子束，到达810公里外的明尼苏达州阿什河。中微子将在不到三毫秒的时间内完成这段旅程。
在其研究目标中，NOvA还旨在阐明中微子质量等级——确定哪个中微子最轻，哪个中微子最重。目前，物理学家只知道至少有两种中微子具有非零质量，但是，正如这些幽灵粒子的许多方面一样，细节仍然难以捉摸。
挥之不去的谜团
由于正在进行如此多的中微子实验——具有不同的目标、不同的设计和不同的粒子源——来自全球各地的各种数据有时会产生相互冲突的解释。最吸引人——但也最具争议性——的实验暗示表明存在一种称为惰性中微子的新粒子。
与泡利在1930年的担忧相呼应，惰性中微子将只能间接探测到，就像跷跷板机制中更重的右手中微子一样。（然而，从理论的角度来看，这两种提出的粒子几乎是互斥的。）尽管如此，两个实验可能已经捕捉到惰性中微子的踪迹。LSND于1990年代在洛斯阿拉莫斯国家实验室运行，发现了早期但有争议的证据，证明存在一种难以捉摸的中微子味道转换类型——μ反中微子转变为电子反中微子。费米实验室的MiniBooNE于2007年开始产生科学成果，也暗示了这种转换。然而，LSND和MiniBooNE振荡与标准的三中微子图景不完全吻合。
量子力学允许中微子仅在它们具有质量的情况下才在味道之间振荡——并且仅当每种味道都具有不同的质量时。各种中微子质量可能会触发中微子转换以解释LSND和MiniBooNE异常，但这只有在除了已经知道的质量差之外还存在另一个质量差时才有可能——换句话说，只有在存在四种中微子类型而不是三种时才有可能。额外的中微子与弱力耦合将使Z玻色子——弱力的载体——衰变太快，因此该粒子根本不会与弱力相互作用。因此，被称为“惰性”：这种假设的中微子几乎完全与粒子动物园的其余部分脱钩。
另一种完全不同的探测器，它可以捕获来自附近核反应堆的中微子，也记录了令人惊讶的结果，这些结果可能指向惰性中微子。来自多个反应堆实验的数据表明，电子反中微子在非常短的距离内异常消失，如果用中微子振荡来解释，这将暗示惰性中微子的存在。这种异常现象已经存在一段时间了，但最近对各种反应堆的中微子输出的重新计算加强了对新粒子的论证。
关于惰性中微子的证据（如果有的话）仍然是粗略的、间接的和冲突的——所有这些都是在追求一种臭名昭著的难以捉摸的，甚至可能不存在的粒子时可以预期的。然而，MiniBooNE和一项名为MicroBooNE的配套实验（目前正在费米实验室建设中）可能很快就会对此事有更确凿的说法。并且，一批新的拟议实验，将研究反应堆异常，也在讨论中。
令人瞩目的是，强大的LHC和相对低能量的中微子实验为探索自然的内在运作提供了如此互补的途径。在沃尔夫冈·泡利构思出他的“无法探测到的粒子”80多年后，中微子继续严守它们的秘密。尽管如此，解开这些秘密的潜在回报证明了数十年来为进一步窥探中微子的私生活所做的努力是值得的。