隐秘的中微子粒子可能是通往暗物质领域的桥梁

参加我们在 2010 年于希腊雅典举行的中微子会议上的演讲的物理学家们，可能期望我们能够平息十年前一项有争议的发现。然而，我们却让他们陷入了震惊的沉默。

故事始于 1996 年，当时我们在洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器 (LSND) 获得的数据显示，一个被广泛接受的观点可能存在问题，即中微子——微小而普遍存在的粒子，可以穿过大多数物质——分为三种类型，或称“味”。我们的结果表明，可能存在第四种中微子味尚未被探测到。科学界对此持怀疑态度，事实上，一项后续实验的早期数据暗示，我们 1996 年的结果是错误的——根本没有第四种中微子味。在雅典的那一天，很明显，听众期望我们最新的发现能够彻底结束 LSND 的结果。然而，我们透露，第四种中微子存在的证据变得更加令人信服。

我们没有发现这种粒子，但我们作为费米国家加速器实验室在伊利诺伊州巴达维亚进行的迷你助推器中微子实验 (MiniBooNE) 的一部分而进行的工作表明，当代对粒子物理学的理解几乎肯定存在问题。最可能的解决方案是一种新的中微子——一种“惰性”中微子，之所以如此称呼，是因为它不会以任何方式与其他物质相互作用，除了引力。自从我们在希腊的演讲以来的十年里，来自 MiniBooNE 的数据进一步支持了第四种中微子味的说法。

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我们现在认为，有超过 99.999999% 的可能性存在超出已知物理学范围的事情，而惰性中微子是一个强有力的竞争者。然而，我们实验可能正在探测第四种中微子的想法仍然存在争议，因为粒子物理学的标准模型是历史上经过最多测试和最彻底证实的理论框架之一——它只允许三种中微子。然而，我们知道标准模型并不完整，因为它无法解释暗物质或暗能量，这些看不见的东西似乎主宰着宇宙。而一种新的中微子味可能只是通往那个隐秘领域的桥梁。最后，经过多年的不确定性，世界各地正在启动几个项目——包括我们自己的相干 CAPTAIN-Mills (CCM) 实验——这些项目可能会结束这个谜团。

什么是惰性中微子？

所有中微子都像幽灵一样。每秒都有数万亿个中微子以接近光速的速度穿过你。然而，惰性中微子将是其中最像幽灵的一个。因为它不经历强力、弱力和电磁力，而其他粒子通过这些力相互作用，所以它基本上是无法检测到的。这种特性会使它成为物理学家称之为暗物质领域的组成部分，其中包括构成宇宙能量密度 95% 的暗能量和暗物质。惰性中微子可能能够通过新的自然力与暗物质相互作用。它们甚至可能是暗物质：一些假设表明，惰性中微子构成宇宙中一部分甚至大部分的不可见物质。

如果惰性中微子存在，那将是这个神秘的粒子家族给物理学家带来的最新一系列惊喜。第一个惊喜发生在 20 世纪 60 年代，当时旨在捕获从太阳飞向我们的中微子的实验测得的数量远远少于科学家的预期。所有恒星都由核聚变反应提供能量，其中质子结合形成氦核，氦核又聚变形成更重的元素。这些反应的产物中包括电子中微子——三种已知味之一，另外两种是μ子中微子和τ子中微子。理论预测，来自太阳的稳定粒子流会到达地球上的天文台，但实验测得的数量仅为预期数量的一小部分。由此产生的不足被称为太阳中微子问题。

许多物理学家最初认为我们只是不太了解太阳是如何运作的。但真正的问题结果既更简单，也更成问题。问题不是太阳发射的中微子比预期的少。而是中微子没有到达我们的地面探测器——或者更确切地说，它们在途中发生了变化。

科学家们最终发现的是，中微子不是纯粹的物体。相反，每个中微子都由所有中微子类型的混合物组成，并且可以在传播过程中在各种味之间振荡。这一发现之所以令人惊讶，原因有很多。首先，中微子可以改变其味的事实意味着它们不可能是标准模型预测的以光速传播的无质量粒子。原因是爱因斯坦的狭义相对论的一个推论，它告诉我们，对于运动中的物体来说，时间比静止的物体流逝得更慢。随着物体速度的增加，时间继续减慢，直到时间实际上停止。那就是物体达到光速的点——这意味着如果你能以光速旅行，时间似乎会静止不动，整个宇宙都冻结在原地。然而，如果中微子改变它们的味，它们就必须经历变化并因此体验时间。因此，它们必须以比光速更慢的速度传播，这意味着它们不能是无质量的。根据相对论，以光速运动的粒子没有质量，因此如果它们比光速慢，它们就必须有一定的质量——而标准模型就存在问题。这一发现以及中微子振荡的发现为高章梶田和阿瑟·B·麦克唐纳赢得了 2015 年诺贝尔物理学奖。

令人惊讶的信号

20 世纪 90 年代和 21 世纪初，当我们在 LSND 和 MiniBooNE 不断发现额外中微子的迹象时，我们和其他人正在研究中微子切换味的意外能力。这两个实验都连接到产生稳定μ子中微子流的粒子加速器，并且都使用了放置在一定距离之外、经过调整以观察电子中微子的探测器。

如果你可以沿着单个中微子在太空中传播，你会看到它从一种类型振荡到另一种类型，循环遍历所有味。至少在原则上，电子味、μ子味和τ子味都是可以观察到的。然而，如果惰性中微子存在，中微子也可能转化为第四种味。对于一个沿途飞行的观察者来说，粒子似乎只是在其飞行过程的这一段中消失了。在最简单的情况下，中微子稍后会以常规味之一重新出现（尽管理论上存在惰性中微子可能衰变，从而完全结束振荡周期的可能性）。

三种正常中微子味之间的振荡最常发生在长距离上。然而，由于惰性中微子可能比常规味更重，因此粒子可能会更快地转换为这种类型，并且同样可以在较短的距离内从惰性味变回三种常规味之一。因此，如果惰性中微子存在，它们应该加速振荡过程，并大大缩短μ子中微子（例如）在转化为电子中微子之前传播的距离。

这正是我们在早期的实验中发现的：似乎μ子中微子在从其源传播的过程中消失的速度比我们预期的要快得多，并且电子中微子出现的数量也高于预期。我们观察到振荡长度仅为数十米到数百米，而不是我们预期的数十公里到数百公里。如此高数量的μ子中微子本不应该能够在实验距离内转换为电子中微子，除非，也许，它们在途中转化为惰性中微子。

我们的实验并不是唯一获得异常结果的实验。一些在核反应堆附近设置的中微子探测器也发现了不寻常的迹象。与太阳一样，核反应堆也会产生中微子作为副产品，并且已经在它们附近进行了几项实验来研究这些粒子。他们发现的中微子数量少于预期，这表明一些粒子可能在从反应堆传播的过程中振荡为惰性中微子。然而，这些结果更难解释，因为物理学家并不确切知道裂变反应堆应该产生多少中微子。因此，低于预期的中微子计数可能是惰性中微子的结果，或者科学家可能只是高估了他们应该找到的粒子数量。

俄罗斯的物理学家正在通过一项名为 DANSS（detector of the reactor antineutrino based on solid-state plastic scintillator，基于固态塑料闪烁体的反应堆反中微子探测器）的实验来避免这些不确定性。该项目发生在核反应堆下方，但科学家们每隔几天就会改变反应堆和中微子探测器之间的距离，以查看电子中微子是否真的在远离其源头的过程中变形为其他味。即使研究人员没有对反应堆中产生的中微子数量进行精确估计，这种方法也可能告诉研究人员是否正在发生短程振荡。

位于南极洲的巨大冰立方中微子天文台也在寻找惰性中微子。这个埋在极地冰中的立方公里光探测器阵列记录了一种称为切伦科夫辐射的光信号，这种信号是在来自高层大气的高能中微子与冰相互作用并引发粒子簇射时产生的。研究在光探测器中收集到的切伦科夫光可以告诉科学家关于引发粒子簇射的中微子的类型、能量和飞行方向。

冰立方团队即将报告一项对穿过地球到达冰立方阵列的中微子进行的为期八年的分析。该研究将寻找μ子中微子消失的迹象，如果发现，可能意味着惰性中微子的存在，这与 LSND 和 MiniBooNE 的结果一致。

所有关于惰性中微子的证据都很有趣且具有启发性，但尚未有定论。冰立方研究的中微子能量范围很广，这使得分析它们的振荡变得复杂。在反应堆实验中，也很难区分研究人员寻找的中微子与太阳中产生的背景中微子以及常见探测器材料中放射性衰变产生的背景中微子，后者可能会伪装成信号。

在 LSND 和 MiniBooNE 等实验中，可以打开和关闭产生中微子的加速器，以确定背景噪声的水平。即使在这些类型的实验中，我们在一定程度上也受到我们无法在小范围距离之外寻找中微子的限制。过去捕获中微子的方法通常依赖于大型、固定的探测器，这限制了我们的灵活性。这些项目相当于从电影中的一个点拍摄一帧，而我们需要的是一系列帧来了解整个故事。

一种新颖的策略

现在即将上线的新型实验应该能够捕捉到我们需要的多个帧。理想情况下，正如前面提到的，我们将与中微子一起飞行并观察它的振荡。我们无法做到这一点，但这些实验为我们提供了一种在振荡过程中拍摄快照的方法，如果惰性中微子存在，这些快照可能会揭示其踪迹。此类项目包括费米实验室的短基线中微子计划和我们在洛斯阿拉莫斯刚刚开始的 CCM 实验。

CCM 位于洛斯阿拉莫斯中子科学中心 (LANSCE) 一个大厅中，位于 800 米长的粒子加速器的末端。加速器向钨靶发射质子束。当质子撞击钨时，它们通过称为中子散裂的过程将中子簇射出靶原子。在此过程中释放的一些能量导致了短寿命π介子的产生。π介子很快停止运动并衰变为μ子，更重要的是，对于我们的目的而言，衰变为具有非常特定能量的μ子中微子。

CCM 通过相干中微子散射来探测中微子，这种效应依赖于所有粒子（包括中微子）不仅像小弹珠一样，而且像波一样运动的事实。这种波粒二象性是量子力学的基石。与粒子相关的波长取决于粒子的能量。高能量、快速运动的粒子具有短波长，而低能量、慢速运动的粒子具有长波长。当短波长中微子撞击原子核时，它们会与原子核内的单个中子或质子相互作用。但是，当一个中微子的能量足够低，使其波长与原子核的直径相当时，就会发生一些特殊的事情。低能量中微子不是撞击原子中的单个质子或中子，而是与整个原子核相互作用。这有点类似于波浪通过船只。水面上的一系列小波纹对大型船只的运动几乎没有影响，但开阔海洋上的非常长的波浪会显著地抬起同一艘船只。由于长波长中微子与整个原子核相互作用，而不是作为小块集合相互作用，因此在低能量下中微子撞击整个原子核的机会远高于在高能量下。

与高能中微子不同，低能中微子会从原子的整个原子核反弹。这种类型的散射称为“相干”，因为波长和原子核的大小相似。原子核在受到撞击时会反冲。如果相互作用发生在合适的材料中，反冲原子会产生微小的闪光，而中微子会继续前进，尽管方向与最初的方向不同。通过使用灵敏的光电倍增管探测器捕获闪光，我们可以确定中微子从原子散射的时间和地点，以及原子的动能。虽然相干散射无法揭示单个中微子的味，但它可以测量所有三种已知中微子味在相互作用中的总和。这个事实至关重要：如果总和不是预期的中微子数量，则可能涉及到未测量的惰性中微子——惰性中微子不会从氩气中散射出来，因此不会产生任何闪光。

鉴于中微子撞击整个原子核的机会高于其仅撞击其中一个核子的机会，因此在这样的实验中，我们可以使用比过去许多中微子探测器所需的大型探测器更小的探测器。与 MiniBooNE 的 800 公吨矿物油探测器缸体相比，CCM 探测器包含 10 公吨液氩。并且由于探测器结构紧凑，我们可以将其从一个地方移动到另一个地方，以观察来自其源头一定距离范围内的中微子。如果中微子在 LANSCE 实验厅提供的数十米范围内频繁振荡，我们将观察到中微子相互作用的总和随距离变化。这样的观察结果将是惰性中微子正在发生的振荡的铁证——因为只有三种味，我们在如此小的距离内应该看不到任何振荡。

当然，CCM 可能找不到惰性中微子的证据。在这种情况下，当我们将 CCM 探测器移离钨靶更远时，已知中微子的观测结果似乎会稳定下降，就像灯泡的明显亮度在你走开时会降低一样。

尽管令人失望，但未检测到并不能排除一种或多种惰性中微子的存在。然而，这将使我们能够限制它们的潜在特性。由于中微子振荡取决于中微子的相对质量和一个称为混合角的参数，因此未能找到惰性中微子的迹象可以让我们掌握相对质量和混合角不太可能是什么，从而有效地缩小了未来寻找惰性中微子必须考虑的参数范围。

超越标准模型

提出与标准模型相悖结果的实验人员被适当地视为有罪，直到被证明无罪，因为从历史上看，挑战标准模型的科学家都是错误的。然而，可以肯定的是，标准模型并不是故事的全部。仅中微子振荡就证明了这一事实。

自 1956 年我们的洛斯阿拉莫斯前辈弗雷德里克·赖内斯和克莱德·考恩首次发现中微子以来，中微子研究一直是物理学激动人心的新发展的先兆。尽管在首次发现惰性中微子的迹象 25 年后，惰性中微子仍然是一个有争议的话题，但实验现在正处于以某种方式解决争议的边缘。