在宇宙中所有的基本粒子中，中微子可能是最奇怪的。这些神秘的微小能量包有时被称为“幽灵粒子”，它们不带电荷，几乎没有质量，并且至少有三种不同的类型。新的研究正在使科学比以往任何时候都更接近理解中微子的本质，从它们的大小到它们的基本属性。
中微子非常微小，令人难以置信。德国卡尔斯鲁厄理工学院的天体粒子研究员卡特琳·瓦莱里乌斯说，它们每个的质量都小于0.8电子伏特，比“第二轻的粒子，即电子，轻数十万倍”。
它们也无处不在。每秒有数万亿个中微子穿过你的身体，主要来自太阳。但是，由于它们体积小且不带电荷，它们很少与你的组织或任何其他物质相互作用。洛斯阿拉莫斯国家实验室的实验粒子物理学家索夫贾尼亚·戈拉皮尼说：“在你的一生中，如果有一个中微子与你相互作用，那你就算幸运的了。”
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尽管理论物理学家们已经意识到中微子的存在将近一个世纪了，但他们对中微子的了解仍然非常少。1930年，著名物理学家沃尔夫冈·泡利正在研究一个看似不可能的难题。在多次实验中，泡利的同代人注意到在观察β衰变（某些放射性原子分解的过程）时，出现了一个会计错误。衰变原子的能量似乎有一小部分消失了，而不是以电子的形式发射出来。
这一观察结果打破了热力学第一定律，该定律指出能量既不能被创造也不能被摧毁。因此，泡利提出了他所描述的“孤注一掷的补救办法”：一种新型的、小的、不带电荷的基本粒子，它与电子一起发射出来，并解释了缺失的能量。中微子的概念由此诞生。
泡利的“中性粒子”最终在1956年的一项实验中得到证实，该实验证明了它的存在，但没有证明它的大小。理论预测中微子将完全没有质量。
但在2015年，东京大学的梶田隆章和安大略省女王大学的阿瑟·麦克唐纳因研究证明粒子实际上确实有质量而获得了诺贝尔物理学奖，尽管该研究没有揭示质量有多大。在2000年代中期，德国的美因茨中微子质量实验将中微子质量的上限设定为2.3电子伏特。在2022年初，来自德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）的数据。
如此精确的测量需要非常灵敏且非常庞大的设备。KATRIN的200公吨光谱仪和70米长的超高真空管能够达到低至-270.15摄氏度和高达250摄氏度的温度，使研究人员能够探测到数十亿个粒子。极低的温度使对热高度敏感的超导磁体保持足够冷的温度，以产生强大的磁场，从而使探测器能够捕获单个粒子。当实验需要清洁时，会切换到高温。参与该项目的瓦莱里乌斯将其描述为“一个大披萨烤箱”。
然而，即使是这种装置也无法直接探测到难以捉摸的幽灵粒子。相反，光谱仪测量的是放射性氢衰变时与中微子一起释放的电子的能量。这些电子的最大能量已被充分记录。一旦科学家记录下这项实验的总能量，就只需减去电子的能量：剩下的任何东西都属于中微子。
研究人员目前正在开发新的实验，以进一步加深我们对中微子的理解。其中一个实验被称为深度地下中微子实验，或DUNE，旨在理解中微子的另一个神秘特性：它们如何振荡，或改变类型。
中微子有三种“味”：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。但是这些身份不是固定的。DUNE合作组织的成员戈拉皮尼解释说：“如果一个中微子以某种味诞生，那么当它传播时，它可以变形为其他味。这就像改变你的身份。”例如，一些来自太阳的电子中微子在到达地球时会变成μ子和τ子中微子。为了理解这种变化发生的原因和方式，DUNE将观察一束中微子，当它在地下传播约800英里时，从中微子实验的总部——位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室，到南达科他州的桑福德地下研究实验室。
研究人员希望，诸如此类的实验将有助于逐步解决其他重大的宇宙学问题，例如暗物质的本质（暗物质可能只是第四种尚未被探测到的中微子味，称为“惰性中微子”），黑洞是如何形成的，甚至物质本身的起源。“KATRIN合作组织做得非常出色，”英国谢菲尔德大学的粒子物理学家安东尼·埃泽里贝说，他也是DUNE的成员，但“仍有工作要做。”
瓦莱里乌斯对此表示赞同。和许多中微子科学家一样，她对这种微小粒子所蕴含的巨大研究潜力感到兴奋。“我们对中微子的理解，或者说缺乏理解，是不完整的，”她说。“我们甚至还不知道我们不知道什么。”