中微子之谜

我正站在一个巨大的洞穴中的猫道上，那里堆满了工业设备，有人告诉我，每秒都有数万亿个中微子穿过我身体的每一寸。我伸出双臂，仿佛要增强这种感觉，但当然，我什么也感觉不到。这些幽灵般的粒子几乎没有质量，以接近光速的速度行进，无声无息地穿过我原子之间的空隙。它们也几乎不受阻碍地穿过占据洞穴的巨大的金属箱。但每天有几次，其中一个中微子会与这个校车大小的装置内部的原子碰撞，释放出带电粒子，这些粒子会留下科学家可见的光迹。物理学家希望，这些光迹将带领他们进入未知的领域。

该装置是费米国家加速器实验室（Fermilab）的 NuMI 离轴电子中微子出现实验（NOvA）的一部分，位于伊利诺伊州巴达维亚。一个类似但更大的探测器埋在 800 公里外的明尼苏达州，它捕获穿过这个探测器以及两者之间所有地面的中微子。NOvA 自 2014 年开始运行，是世界上距离最长的中微子实验，但它正在为更大的项目——深地中微子实验（DUNE）奠定基础。DUNE 将在费米实验室启动，在那里，加速器将加速并将质子撞击石墨，以产生中微子束。然后，这些中微子将穿过从伊利诺伊州到南达科他州 1300 公里的地球。额外的 500 公里行程应该会使中微子更有可能展现出它们一些标志性的奇怪行为。

DUNE 是自 20 世纪 90 年代失败的超导超级对撞机（SSC）以来，美国本土尝试过的最雄心勃勃的粒子物理实验。这个耗资 15 亿美元的项目计划于 2020 年代启动，预计至少运行 20 年。但不仅仅是美国人感到兴奋——该项目涉及来自 31 个国家和地区的 1000 多名研究人员，而且人数还在增加。它将是地球上最大的中微子实验。它也将标志着欧洲主要的粒子物理实验室 CERN 首次投资于欧洲大陆以外的项目。正如大型强子对撞机（LHC）在 2012 年发现了著名的希格斯玻色子，揭示了一个充满宇宙的隐藏场的存在一样，科学家们希望 DUNE 可以利用中微子在更深层次上理解宇宙。“我们希望像 LHC 为希格斯玻色子所做的那样为中微子做点什么，”DUNE 的前任联合发言人马克·汤姆森说，他是一位来自剑桥大学的精力充沛的英国人，曾帮助领导这项实验。（他目前是英国科学与技术设施委员会的执行主席。）“我们相信我们正处于启动粒子物理学下一次重大革命的边缘。”

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中微子激发了如此奢华的希望，因为它们是第一个突破所谓标准模型的粒子，标准模型是物理学家对自然基本粒子及其支配规则的最佳描述。标准模型以非凡的精度解释了每一种其他已知粒子的行为，但它预测中微子应该是没有质量的。科学家们也一直这样认为，直到大约 20 年前，日本和加拿大的实验发现中微子确实具有极小的质量。但中微子似乎并没有像其他粒子那样获得质量。相反，看起来，它们是通过所谓的新物理学获得质量的——一些科学家尚未发现的粒子、力或现象。

在过去几年中，中微子看起来越来越像是通往未来物理学的一座更有希望的桥梁，因为其他到达前沿的尝试都以失败告终。到目前为止，LHC 尚未产生任何标准模型未预测的粒子。旨在揭示构成暗物质的粒子的实验也一无所获，暗物质是支配宇宙的不可见物质。“我们知道标准模型是不完整的——还有其他事情在发生，但我们不知道是什么，”费米实验室中微子物理学家斯蒂芬·帕克说。“有些人用他们的职业生涯押注 LHC。我们其他人则押注中微子。”

巨大的谜团

在我参观 NOvA 洞穴的第二天，我发现自己坐在费米实验室主楼罗伯特·拉斯本·威尔逊大厅三楼的一间空荡荡的办公室里。帕克和西北大学的理论家安德烈·德古维亚也在这里，他说他选择这间办公室作为我们的会面地点，因为它曾经是已故的费米实验室前主任莱昂·莱德曼的办公室，莱德曼开发了一种用粒子加速器产生中微子束的方法。这项工作是 DUNE 的基石，它在 1962 年揭示了三种已知类型的中微子之一的存在，并后来为莱德曼赢得了诺贝尔奖。帕克和德古维亚承认，尽管自莱德曼时代以来，该领域已经取得了长足的进步，但科学家们仍然感到困惑。“关于中微子的事情是，你了解得越多，你的问题就越多，”帕克说。“它们是非常淘气的粒子。”

帕克是新西兰人，在 20 世纪 70 年代来到美国读研究生后不久就迷上了中微子。在随后的几十年里，中微子失去了作为无质量、乏味粒子的声誉。“革命接踵而至，”他说。“问题是，那里还有更多的革命吗？”他和德古维亚都认为有。“我们才刚刚开始以与其他粒子相当的水平测量中微子特性，”德古维亚说。“我们不知道它们的质量，可能存在新的[类型的中微子]，中微子可能会与其他粒子对话，而这些粒子不与其他任何粒子对话。”

DUNE 将专注于中微子奇异的身份交换倾向，这个过程称为振荡。这些粒子有三种类型，或称风味：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。研究人员可以区分它们，因为当它们与探测器中的原子相互作用时，它们会产生不同的最终产物——电子中微子产生电子，μ子中微子产生μ子，τ子中微子产生τ子（μ子和τ子是电子较重的表亲）。奇怪的是，这三种风味是可变的。粒子可能以μ子中微子的形式离开费米实验室，并以电子中微子的形式到达南达科他州。或者它们可能以τ子中微子的形式出现。据物理学家所知，中微子是唯一会经历这种奇异的身份转变行为的粒子。

当物理学家在大约 20 年前发现中微子的变形倾向时，它解决了一个长期存在的谜团。在 20 世纪 60 年代，当科学家开始研究从太阳流出的中微子时，他们测得的输出量仅为理论预测的三分之一左右。振荡解释了原因：缺失的三分之二在传播到地球的过程中从电子中微子变形为μ子中微子和τ子中微子，但仪器被设置为仅观察电子中微子。尽管这一发现结束了所谓的太阳中微子问题，但它暴露了另一个谜团：根据理论，中微子改变风味的唯一方法是它们具有质量——而这正是标准模型所没有预测到的。

物理学家知道中微子必须有质量的原因是一个令人费解的问题，它来自量子理论。为了让中微子改变风味，每种风味都必须由不同的“质量态”组成。奇怪的是，每种中微子风味似乎都没有确定的质量；相反，这些风味是三种可能质量的混合物。（如果这听起来很奇怪，那就怪量子力学，它告诉我们粒子不是确定的实体，而是不确定的概率雾。）当<0xC2><0xA0>中微子在太空中飞行时，与每种质量态相关的部分以略微不同的速率传播，这是爱因斯坦狭义相对论的推论，该理论确定了接近光速传播的粒子的速度取决于其质量。随着时间的推移，人们认为这种差异会导致每种中微子中质量混合物的变化，因此，例如，一个最初是μ子中微子的粒子，由其精确的质量混合物定义，可以变成电子或τ子中微子。

科学家们仍然不知道精确的中微子质量态是什么——只知道它们是不同的且非零的。但是，通过计算从伊利诺伊州到南达科他州的旅程中有多少中微子发生振荡，DUNE 旨在确定不同中微子质量之间如何比较。理论表明，三种可能的中微子质量的排序可能是两个非常轻，一个重，或者另一种选择是，两个质量重，一个较小。第一种选择被称为正质量层级，而第二种安排被称为倒质量层级。DUNE 应该能够区分两者，因为地球内部的物质被认为会影响中微子振荡；如果正质量层级是正确的，科学家们预计会看到与倒质量层级正确时不同的三种风味的比率。“通过将中微子穿过物质发射，你可以非常容易地确定这种差异，而且你发射中微子的距离越远，你的信号就越清晰，”汤姆森说。“这是 DUNE 绝对有保证在几年内解决的物理学问题。”

质量的起源

一旦他们知道中微子质量的排序，研究人员就可以着手解决中微子如何获得质量的更大问题。大多数粒子，例如原子内部的质子和中子，都是通过与希格斯场相互作用获得质量的；这个场遍布整个空间，与在 LHC 发现的希格斯玻色子有关。但希格斯机制仅适用于兼具右手性和左手性的粒子，这是一种与它们的自旋相对于其运动方向的方向相关的根本差异。到目前为止，中微子只以左手性形式被观察到。如果它们从希格斯场获得质量，那么右手性中微子也必须存在。但右手性中微子从未被观察到，这表明如果它们是真实的，它们根本不与自然界中的任何其他力或粒子相互作用——这种前景在一些物理学家看来是牵强的。此外，如果希格斯场确实对中微子起作用，理论家会期望它们具有与其他已知粒子相似的质量。然而，中微子却莫名其妙地轻。无论质量态是什么，它们都不到已经很小的电子质量的十万分之一。“很少有人认为希格斯机制赋予了中微子质量，”费米实验室主任奈杰尔·洛克耶说。“可能存在一种完全不同的机制，因此应该存在与其他粒子相关的粒子，这些粒子与这种情况的发生方式有关。”

一个令物理学家兴奋的可能性是，中微子可能是马约拉纳粒子——它们是自身的反粒子。（这是可能的，因为中微子没有电荷，而电荷的差异区分了粒子与其反物质对应物。）理论家认为马约拉纳粒子有一种无需涉及希格斯场即可获得质量的方法——可能是通过与一个新的、尚未被发现的场相互作用。这种情景背后的数学也需要存在一组非常重的中微子，这些中微子尚未被发现；这些粒子的质量将是某些已知最重粒子的质量的一万亿倍，并且在某种意义上，将抵消轻中微子。对于粒子物理学家来说，发现新的质量尺度的前景是诱人的。“从历史上看，我们总是通过在不同尺度上探索自然来取得进展，”德古维亚说。如果某个新的场赋予了中微子质量，也许它也会影响其他粒子。“如果大自然知道如何对中微子做到这一点，它还在哪里这样做呢？”洛克耶推测。“理论家正在问：暗物质可能是马约拉纳质量吗？”

DUNE 不会直接测试中微子是否是马约拉纳粒子，但通过测量质量层级，它将帮助科学家解释正在日本、欧洲、美国和其他地方进行的实验结果。此外，DUNE 应该通过提供有关中微子在振荡过程中如何在质量组合之间切换的详细信息，帮助阐明中微子质量的起源。“我们希望做到最好的中微子振荡实验，”德古维亚说，“因为这是我们知道我们将了解中微子质量的唯一地方。”

物质与反物质

探测这些微小粒子的奇异之处也可能有助于解决一个宇宙规模的谜团：为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的。

宇宙学家预测，两者在大爆炸后应该以相等的量存在。不知何故，在大多数物质与大多数反物质湮灭之后（正如两者在接触时所做的那样），还剩下少量的物质过剩。这些物质构成了我们今天看到的星系、恒星和行星。

为了解释这种不对称性，科学家们正在寻找一种与其反物质对应物行为不同的粒子，各种线索，包括在其他实验中看到的暗示，都指向中微子。DUNE 将寻找所谓的 CP（电荷宇称）破坏的迹象——换句话说，反中微子从一种风味振荡到另一种风味的速度与中微子不同的证据。例如，理论表明，DUNE 可能会看到反物质μ子中微子转变为电子中微子的速度是物质中微子进行这种转变速度的二分之一到两倍之间——帕克称这种差异“巨大”，并且可以解释为什么物质在那场最初的战斗中获胜。（奇怪的是，即使中微子和反中微子最终被证明是同一种东西——换句话说，如果中微子是马约拉纳粒子——中微子的振荡方式仍然可能与反中微子不同。在这种情况下，区分中微子和反中微子的唯一因素将是它们的手性，这与它们的自旋方向有关。物质中微子是左手性的，其行为可能与反物质中微子（右手性的）不同。）

DUNE 还将能够确定中微子是否只有三种风味，或者是否还有更多风味等待被发现，正如一些理论所推测的那样。额外的中微子风味将是所谓的惰性中微子，因为它们根本不与正常物质相互作用。早期的实验，包括洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器和费米实验室的迷你助推器中微子实验（MiniBooNE），看到了不确定的迹象表明有一种额外的中微子类型正在干扰振荡，这表明存在比普通三种更重的惰性中微子。研究人员希望 DUNE 能够证实或排除这种可能性。“惰性中微子可能会在很大程度上改变我们在 DUNE 看到的振荡模式，”汤姆森说。

豪赌

为了解决所有这些难题，科学家们将 DUNE 设计为收集比以往所有中微子实验更多的数据，并达到更高的精度水平。该项目将使用比现有最强高能中微子束强大约两倍的中微子束，并将其射向比同类探测器大 100 多倍的探测器。

该实验的核心将是在南达科他州利德市的桑福德地下研究设施中安装的远探测器。该机器将由四个探测器模块组成，每个模块都像奥运会游泳池一样长，但深度是其六倍，并将填充 17,000 公吨液氩。当一个中微子撞击远探测器或近探测器中的氩原子核时，它将根据其风味，变成电子、μ子或τ子。μ子将在液氩中沿直线传播，在传播过程中将电子从氩原子中踢出，留下探测器可以看到的电子轨迹。另一方面，如果中微子产生电子，该过程将产生一个光子，然后该光子将产生两个电子，然后产生更多的光子，依此类推，形成新的粒子级联。同样，τ子中微子将产生τ子，但前提是初始中微子的能量足够高；τ子比电子或μ子更重，需要更多的能量才能产生。CERN 的科学家于 2018 年开始测试 DUNE 远探测器的微型版本，称为 ProtoDUNE。“这些探测器，有点像太空任务，一旦你打开它们，你就真的无法停止它们并将它们拆开来修理，”费米实验室副主任约瑟夫·利肯说。“一旦你放入 17,000 吨液氩，就太难把它取出来了。”

为了取得成功，DUNE 必须克服政治和资金障碍，这些障碍之前曾扼杀过大型物理项目。2017 年 7 月，科学家和官员在桑福德设施举行了破土动工仪式，标志着大型挖掘工程的开始，该工程仍在进行中。当然，SSC 也进行了大量的挖掘工作，SSC 计划比 LHC 还要大。SSC 很可能已经发现了希格斯玻色子，但它在 1993 年因成本超支和政治潮流的变化而被取消。“你可以回顾历史，看看超导对撞机，天哪，那真是一个悲伤的故事，”洛克耶说。“DUNE 的国际性质是向前迈进的一大步。”拥有来自多个国家的承诺和资金应该有助于 DUNE 避免 SSC 的命运。“我会说这肯定会发生，”洛克耶说。然后他补充道：“但它有可能不发生吗？是的。”