关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保未来关于塑造当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
中微子在宇宙中无处不在，但我们看不到它们，感觉不到它们，也几乎无法阻止它们。它们每秒以数万亿的数量流经我们的身体，在原子之间的空间中穿梭，几乎没有发生碰撞。这些幽灵般的粒子在大爆炸期间大量产生，像太阳这样的恒星一直在不断地产生更多的粒子。然而，尽管它们数量众多，中微子可能是宇宙中最神秘的粒子。
几十年来，物理学家认为中微子没有质量，但在1998年发现这些粒子确实具有非常小但非零的质量时，他们感到震惊。它们到底有多大的质量仍然未知。然而，更大的问题是，它们为什么会有质量？
中微子出乎意料的质量代表了对粒子物理学的主导规律（称为标准模型）的偏离，因此，弄清这种质量的原因可能会为更深入、更全面的解释组成我们世界的粒子铺平道路。印第安纳大学物理学家马克·梅西耶说：“这确实是标准模型在相当长一段时间内的第一个裂缝，人们非常想试图把这个裂缝拉开，看看那里发生了什么。”此外，中微子似乎是一个更大谜团的核心：我们为什么生活在一个由物质而不是反物质构成的宇宙中的问题。这两种物质应该在时间开始时以大致相等的数量产生，但不知何故物质胜出。科学家怀疑，解决中微子质量问题可能有助于揭示原因。
一项新的实验，将中微子从伊利诺伊州地下束射到明尼苏达州，正在瞄准这个谜题。该NuMI 离轴电子中微子出现实验，或NOvA实验，通过加速质子并将它们撞击到芝加哥附近费米国家加速器实验室内的碳核中来产生中微子。这些碰撞会产生大量的新粒子，包括一些会衰变成中微子的粒子。然后，中微子以接近光速的速度直线穿过地球 800 公里，到达明尼苏达州北部的阿什河实验室。在途中，这些粒子做了一些不可思议的事情——它们改变了身份。
中微子味 中微子有三种“味”，称为电子、μ子和τ子。然而，它们并不局限于一种——它们可以随时改变味。费米实验室的实验旨在仅产生μ子味的 中微子。然而，当它们到达明尼苏达州时，其中一部分将变成电子和τ中微子。这些粒子通过两个探测器——一个在旅程的开始，一个在旅程的结束——来向科学家们展示有多少粒子在旅程中翻转了味道。这些转变受到中微子质量的影响，NOvA 的数据可能会指出理解这些质量如何产生的方向。
[幻灯片：大型实验寻找微小的中微子]
明尼苏达州的阿什河探测器旨在识别电子中微子。它包含一个由薄塑料管组成的网格，这些塑料管填充着一种在受到激发时会发光的液体材料。这个 14,000 吨的建筑是世界上最大的独立塑料结构。“有一次，我们打算联系吉尼斯世界纪录来证明它，但我不知道这是否真的发生了，”费米实验室物理学家史蒂夫·布赖斯说。大多数中微子会直接穿过液体而不会发生事故，就像它们通常在不发生相互作用的情况下穿过物质一样。然而，在极少数情况下，中微子会与液体中的原子发生相互作用，导致该物质根据中微子的味道释放出一个粒子。如果产生一个电子，它会在液体中产生闪光，这被记录为检测到单个电子中微子。尽管每时每刻都有大量的中微子穿过，但这种相互作用每天只会发生几次。然而，随着时间的推移，研究人员可以建立一个可靠的估计，即从费米实验室传播的μ子中微子转化为电子中微子的频率，或振荡的频率。
知道这个速率可能会为中微子的质量提供新的线索。科学家们不仅不知道它们的绝对质量，他们也不知道质量之间的间隔有多大，也不知道哪个味道与最重的质量相关。中微子可以振荡这一事实告诉研究人员，它们有质量——而且这些味道的质量不相同。不同的质量导致各种中微子（根据量子力学，可以被认为是粒子和波）以略微不同的频率传播。这些波逐渐与彼此同相和异相，研究人员将不同的组合视为中微子味道的变化。
由于中微子振荡和质量是如此紧密地交织在一起的，过去实验中对这些转换的测量已经表明，中微子质量的排列是有限的选择。本质上，电子中微子必须比其他两种味道更重或更轻。后一种情况称为正常质量等级，因为中微子的味道将与它们命名的粒子平行：电子中微子将比μ子中微子轻，而μ子中微子比τ中微子轻，就像电子本身比μ子轻，而μ子比τ子轻一样。另一种选择，称为反向等级，是电子中微子是最重的味道。根据理论预测，“通常，我们正在研究的中微子振荡过程在等级正常时发生得更频繁，”NOvA 的共同发言人梅西耶说，“当等级反向时，该过程会被抑制。”
中微子质量的起源
每个等级选项都与解释中微子为什么具有质量的不同理论联系在一起。例如，反向质量等级意味着两个较重的中微子的质量几乎完全相同。“具有完全相同质量的粒子是一个很大的信号，表明它们有一些子结构，”西北大学的理论家安德烈·德·古维亚说。“一种合理的可能性是，中微子可能是由更基本的粒子组成的。这可能表明，从根本上讲，所有中微子都是同一物体的不同表现形式，在低能量或长距离处可能看起来像不同的粒子。”
中微子似乎不像其他粒子那样通过希格斯玻色子获得质量。这个现在著名的粒子，于 2012 年在大型强子对撞机上被发现，与一个遍布宇宙的“希格斯场”相关联。当粒子穿过这个场时，它们通过与它的相互作用获得质量。中微子的特殊性——特别是它们是“左手”粒子（一种与自旋方向有关的指定）这一事实——意味着中微子可能无法与希格斯场相互作用。此外，从希格斯获得质量的粒子往往更重。据科学家所知，中微子的质量比其他同类粒子（如电子）轻约一百万倍。“必须有一些新的机制赋予中微子质量，”梅西耶说。“这一百万的因子有点要求解释。”
中微子质量图景因中微子味不具有绝对、固定的质量这一奇怪事实而变得复杂。相反，每个味态都是所谓质量态的叠加或重叠——实际上是具有特定质量的概率。中微子内部质量态的这种并列实际上赋予了粒子改变味道的能力。
在更深层次上，了解中微子质量态的顺序以及它们为什么如此之小，可能不仅揭示中微子，而且揭示物理学的本质。“有些人认为这些数字有点随机，”费米实验室的理论家斯蒂芬·帕克说。“我不相信。我相信存在某种机制，我们最终会发现这种机制可以解释为什么质量态具有电子、μ子和τ子的特定混合物。这是个大问题，也是十二月份前往斯德哥尔摩的问题。”
反物质之谜
一旦科学家知道中微子质量等级，他们将能够更好地澄清关于这些粒子的另一个紧迫的谜团：中微子是它们自己的反物质对应物吗？所有常规物质粒子都被认为具有质量相等且电荷相反的反物质伙伴。物理学家认为，某些粒子（所谓的马约拉纳粒子）是物质和反物质。如果中微子是这种情况，那么当两个中微子碰撞时，它们应该像物质和反物质接触时一样相互湮灭。
确定中微子是否是马约拉纳粒子取决于一个困难的实验，该实验寻找一个可能的过程，称为无中微子双β衰变，其中两个作为放射性衰变的正常副产品产生的中微子相互抵消，导致中微子缺失。如果中微子质量等级是反向的，衰变过程会更快发生。到目前为止，还没有人观察到无中微子双β衰变，但科学家仍在寻找。“这些实验的灵敏度取决于电子中微子的有效质量，”NOvA 共同发言人、哈佛大学物理学家加里·费尔德曼说。“在正常等级中，它们的灵敏度将非常低。如果它是反向排序，则测量结果可能在这些实验的范围内。”
知道中微子是否是马约拉纳粒子反过来可以帮助科学家解决质量之谜。“如果中微子是马约拉纳粒子，这将是一个关于其质量来自哪里的真正重要的提示，”德·古维亚说。“在一种路径中，中微子是马约拉纳粒子，在另一种路径中，它不是。从理论的角度来看，从这两种角度理解中微子质量是非常不同的。如果我们能找出哪种可能性是正确的，我们就会排除一堆不同的理论。”
最终，物理学家认为中微子可以解决一个关于反物质的更大的谜团——为什么宇宙不是由反物质而是由物质构成的？要理解为什么这令人困惑，请考虑物理学家目前认为在大爆炸之后发生的事情：大量刚刚产生的物质和反物质聚集在一起并相互摧毁。所有这些湮灭之后剩余的少量物质构成了我们今天的星系、恒星和行星。
为了找出物质如何占据上风，科学家们正在寻找物质和反物质行为方式中的不对称性。他们已经排除了大多数类型粒子存在这种不对称性的可能性。“在标准模型中，只有少数几个地方可以隐藏这种物质-反物质不对称性，”梅西耶说。“大量证据表明，中微子是这个重大问题的根源。”如果中微子不是马约拉纳粒子，那么或许中微子振荡到其他味的速度与反中微子不同。这些不同的速度，可能导致更多的中微子在早期宇宙的物质-反物质湮灭时代幸存下来。
NOvA 有能力测量中微子和反中微子，因此它将寻找它们振荡率的差异。单靠这项实验，不太可能灵敏到足以发现不对称性。然而，NOvA 和其他中微子实验的综合数据可能指向正确的方向。NOvA 的主要竞争对手是日本的东海到神冈 (T2K) 实验，它具有类似的设置。中微子在 T2K 中仅传播 300 公里（而 NOvA 为 800 公里），但其主探测器更大、更灵敏。“当你把 NOvA 的数据与世界各地其他实验的数据结合起来时，你就可以开始触及[反物质不对称性]问题的表面，”费米实验室主任奈杰尔·洛克耶说。
他说，要真正回答这个问题，可能需要一个更大的实验。费米实验室的科学家们已经在制定下一代项目的计划，该项目名为长基线中微子实验 (LBNE)，计划在 NOvA 运行结束后取代它。该设施将把中微子从费米实验室发射到南达科他州，穿过 1290 公里的地球。其探测器也将被放置在地下，以进一步屏蔽污染性辐射。美国高能物理学界的大部分力量都团结支持这项计划，欧洲和印度表示希望加入。“这需要世界各界人士的共同努力，才能说我们想做这个实验，”洛克耶说。“就资金而言，现在是一个非常困难的时期，但我是一个乐观主义者。我认为我们已经把自己定位得很好。”