它们很小，几乎无法察觉，现在每时每刻都有 500 万亿个穿过你的身体。中微子是大自然最丰富但也最神秘的造物之一。科学作家詹姆斯·里尔顿最近着手列出关于中微子的已知和未知信息，他发现第二列更长。“对我来说，最有趣的是我们对它们知之甚少，”他说。“这些粒子确实存在，而且确实很神秘。令人兴奋的科学就在于回答这些问题。”
在新的著作《幽灵粒子：探索难以捉摸的神秘中微子》（麻省理工学院出版社，2023 年）中，里尔顿和他的合著者，物理学家艾伦·乔多斯记录了这些令人惊讶的粒子是如何首次被提出和发现的，以及科学家们迄今为止弄清楚了什么——以及他们希望最终了解的一切。由于中微子的诸多怪异之处，它们似乎是回答我们一些最大问题的有希望的途径：为什么宇宙是由物质而不是反物质构成的？什么是暗物质？有什么东西可以比光速更快地传播吗？
《大众科学》与里尔顿谈论了为什么这些奇异的自然组成部分如此酷，以及他自己的家族史如何融入中微子的故事。
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[以下是经过编辑的采访记录。]
所以你实际上与中微子有个人联系。那是什么？
我是中微子的共同发现者之一，小克莱德·考恩的孙子。但他去世时我才九岁。我的家人一直流传着关于他的神话，但不太清楚他做了什么。直到我去大学学习物理学才明白。当我成为一名科学作家并开始看到这些有趣的中微子结果出现时，我的兴趣才变得更加浓厚。
我与麻省理工学院出版社谈了写书的事，他们很感兴趣，但他们希望确保有一位该领域的专家与我一起写作。我想到了艾伦·乔多斯，一位跳出框框思考的理论家。他写了一些关于中微子的有趣的推测，这些推测有点前沿。
在中微子提出的无数问题中，哪个最让你感兴趣？
我最喜欢的谜团是确定它是否是自身的反粒子。对我来说，我认为这是关于中微子的最大、最引人注目的问题。这个问题触及了宇宙起源这个真正宏大的问题。
如果中微子真的被证明是自身的反粒子，它可能使我们能够理解为什么宇宙主要由物质而不是反物质构成。我们知道，当宇宙最初开始时，它必定是物质和反物质的完美平衡。如果宇宙中所有的物质和反物质都湮灭了，就不会剩下任何物质。因此，一定在某个地方出现了不平衡，而中微子可能是这种不平衡来源的线索。
你写道，“中微子的想法非常糟糕，用第一个想象它的人的话来说。” 沃尔夫冈·泡利在 1930 年提出了中微子，以解释为什么在某种类型的粒子衰变中似乎缺少能量和动量。为什么中微子解决方案如此糟糕？
这几乎就像是障眼法。他们在β衰变中遇到了问题，这种核反应似乎缺少了某些东西。因此，坐下来说，“缺少什么？让我们把所有缺少的东西都拼凑起来，组成一个新的粒子”来回答这个问题，感觉就像一个“只是那样”的故事——就像“豹子是怎么长出斑点的？嗯，是某个古老的神向它扔了泥。” 当然，这是一个答案。但你无法验证它。它解决了你的问题，但令人不满意。
泡利认为他无法验证答案，因为他和其它物理学家认为中微子是完全无法探测的。然而，我们现在已经看到了三种不同类型的中微子。而且有可能存在更多类型吗？
在新墨西哥州洛斯阿拉莫斯[国家实验室]，他们发现其中一项实验中出现的中微子太多了。一种解释可能是存在另一种类型的中微子，它只与其它中微子以及某种暗物质相互作用。这些被称为惰性中微子。有理由相信可能存在多种类型的中微子，但这只是一种可能性。
人们预计洛斯阿拉莫斯异常现象会消失。他们在伊利诺伊州[费米国家加速器实验室]的其它机器上进行了测试。我记得与洛斯阿拉莫斯最先发现似乎暗示存在惰性中微子的人们交谈，他们都预计[后续测试]绝对不会出现惰性中微子的迹象。但结果却证实了他们最初的实验，该实验表明存在惰性中微子。这令人震惊地证实了几乎所有人认为只是测量错误的事情。问题仍然很明显地存在，并且有理由相信双方：存在某种系统性错误，两者都受其影响，或者问题仍然存在。希望这个问题很快就会得到解答。
另一个大谜团是中微子的实际重量是多少。起初，它们被预测为无质量，但现在科学家们知道它们必须具有非零质量。我们在弄清楚质量是多少方面进展到哪一步了？
与艾伦谈论真正有趣的事情之一是，KATRIN [一项旨在测量中微子质量的德国实验] 并没有说中微子具有小的正质量。它说它们具有小的质量，该质量可能是正质量平方或负质量平方。这意味着根据他们进行实验的方式，它们可能具有虚质量，这将使它们成为“快子中微子”。这将使它们有可能比光速更快地传播，或者可能在时间上倒流，这取决于你如何看待它。
当然，KATRIN 的人们不相信这是一种可能性，所以他们只是把它抛弃了。但是，在像艾伦这样的人的心中，仍然存在一丝希望，即答案实际上可能是负数，即使他们只是为了确保他们的统计数据不会搞砸而将其包括在内。
如果中微子可以比光速更快地传播，我们不是早就知道了吗？
的确会存在各种各样的问题。我与[物理学家]谢尔顿·格拉肖谈过，并向他询问了这个问题。他指出，如果中微子可以比光速更快地传播，就会导致巨大的辐射爆发，它们的速度会迅速减慢。因此，即使它们可以短暂地比光速更快地传播，它们也会立即不再比光速更快地传播。我倾向于相信谢尔顿·格拉肖的回答。艾伦抱有希望，因为他是一位理论家，他们喜欢相信奇怪的东西。即使是艾伦，也没有人真的期望看到这种情况。
在做了所有这些研究并写了这本书之后，它是否改变了你对祖父的看法？
是的。我发现他和弗雷德里克·莱因斯[他在中微子发现实验中的合作者]所做的事情中蕴含着大量的幽默。他们大胆地将一个小小的玩笑编码到一项巨大的科学实验的设计中。
他们寻找中微子的最初想法是利用在洛斯阿拉莫斯曼哈顿计划期间进行的核武器试验，对吧？
如果你看看最初的提案，它本身就很胆大妄为，他们打算将探测器放入一个竖井中，并在核武器在约 40 米外爆炸的同时将其放下。这是一个极其复杂的系统，需要开发。他们必须决定在哪里挖掘竖井。他们选择将其放置在距离武器爆炸塔 137 英尺的地方。他们之所以选择这个距离，是因为精细结构常数[与电磁力强度相关的基本常数]是 1 ⁄ 137。但他们知道，在提交给洛斯阿拉莫斯批准的实验描述中，这样做有点轻率，因此他们找到了公制等效值，约为 40 米。他们将其变成了一个内部笑话。
然后，当他们在南卡罗来纳州进行实际发现中微子的实验时，他们竖起了所有的屏蔽装置，以查看他们是否可以调节信号，并 साथ ही 一磅玉米粉。我想象我的祖父是一个有趣的人，这个形象变得更加丰满。你可以看到这种幽默感和这种乐趣贯穿了他们正在进行的这项非常严肃的活动。