一个谜题的终结
我们生活在一个由粒子所构成的世界之中。在现代粒子物理学中，所有已知的基本粒子及其相互作用，都是由粒子物理学的标准模型描述的。
在标准模型中，中微子吸引了许多的关注。目前，已确认存在三种不同类型的中微子，或者说中微子有三种“味”，分别是电子中微子、µ子中微子、τ子中微子。除此之外，物理学家还预言了第四种类型——惰性中微子。
惰性中微子的存在与否是物理学中的一大谜题。现在，这一谜题的终极结论似乎已被揭晓。在一项新的研究中，研究人员在结合了大量的实验数据后，称他们排除了惰性中微子存在的可能。
这一对粒子物理学有着重要意义的研究结果被发表在了1月11日的《自然》杂志上。
一种神奇的“身份”转换
中微子是宇宙中最丰富的基本粒子之一，它们有的来自太阳核心的聚变，有的来自宇宙射线与地球大气的相互作用，有的来自在加速器中产生的粒子的衰变。每一秒，数万亿颗中微子穿过我们的身体，但我们无法察觉它们的存在。
尽管中微子的数量极其丰富，但由于它们几乎不与任何物质相互作用，导致探测中微子变得极为棘手，因此它们也常被称为“幽灵粒子”。
在过去的实验中，物理学家发现了这些粒子的一个奇怪特性：当中微子在空间中传播时，它们的“身份”可以互相转变——从一种“味”自发地转化成另一种。例如，当从太阳核心释放出来的一个电子中微子在抵达地球前，它是可以转变成其它身份的。这种过程被称为中微子振荡。
在过去很长一段时间里，物理学家认为中微子是无质量的，但中微子振荡现象的发现，证实了中微子必须是有质量的。因为这种奇异的现象只有在中微子是有质量的情况下才会发生。
异常的实验结果
1996年，科学家在一项实验中发现了一种具有新频率的异常中微子振荡，这预示着可能存在第四种中微子，也就是惰性中微子。
之所以说它们是“惰性的”，是因为它们不参与弱相互作用，只有当一种普通中微子通过振荡变成它时，它才会出现。此外，它们的质量应该比其他三种中微子要大得多。
随着实验精度的提高，这一假设在2011年得到了进一步的支持。当时，物理学家发现，核反应堆产生的反电子中微子（即电子中微子的反粒子）的总数（通量）比理论预测值低6%。这一显著的异常是可能存在惰性中微子的最有力线索之一，因为造成这种缺失的一个可能解释是，一些中微子在离开反应堆堆芯后变成了惰性中微子。但这种说法，一直没能得到实验的确凿证实。
在核反应堆中，反中微子的产生源自于β衰变。具体来说，当反应堆中铀-235和钚-239在经过裂变反应分裂成更轻的原子核后，更轻的原子核会经历放射性衰变。在这样的衰变过程中，原子核中的中子会变成质子，释放出一个电子和一个反电子中微子。
STEREO实验
2017年，为了明确地检验惰性中微子是否存在，并确定它们的性质，格勒诺布尔国际研究所的高通量核研究反应堆开始设计并开始运行STEREO实验。
STEREO实验的中微子探测器是由6个相同的部分组成的，它们被放置在距离反应堆堆芯9~11米的地方。之所以选择这个距离范围，是因为在那里，转变成惰性中微子的振荡，可以显现在电子中微子的能谱中。
此外，由于中微子是很难被探测的粒子，来自反应堆外的其他信号来源可以很轻易地对目标信号造成干扰，因此这样的实验需要对探测器进行外部环境隔绝。在STEREO实验中，合作组对背景信号进行了较好的屏蔽控制。
STEREO实验示意图，探测器被放置在反应堆堆芯旁。（图/stereo-experiment.org）
如果反中微子确实振荡成了惰性反中微子，那么在STEREO实验中，就可以既看到2011年的反中微子通量异常，还可以看到反中微子能谱会随着探测器与反应堆的距离变化而变化。因为有着更低能量的中微子，应该比有着更高能量的中微子转变得更快，从而会在中微子前进的过程中改变它的能谱。
如果存在惰性中微子，那么探测到的能谱的形状会随着距离变化。（图/D. Lhuillier, CEA via stereo-experiment.org）
在2017年至2020年期间，STEREO合作组总共观测到超过10万个中微子。然而，却没有发现任何表明惰性中微子存在的痕迹。他们的数据显示，虽然反中微子的通量的测量值确实比预测值低5.5%，但反中微子的能谱并没有随着与反应堆的距离变化而变化。
这意味着，STEREO实验证实了通量异常，但排除了这种异常是由惰性中微子引起的可能性。
迷雾仍在
其实，早在2017年，来自中国大亚湾反应堆中微子实验的物理学家就曾对2011年的实验结果提出过质疑。在大亚湾实验中，研究人员在反应堆中使用了4%的铀-235作为燃料。最终的结果表明，随着铀-235数量的减少，反中微子缺失的量也在缩小。这意味着，来自铀-235的反中微子通量可能被高估了。
现在，STEREO合作组证实了这种怀疑，他们在很大程度上排除了惰性中微子存在的可能。然而，迷雾并没有散去。最新的结果虽然证实了反应堆中的反中微子通量的确存在异常，但这种异常的原因仍是一个谜。
尽管仍然迷雾重重，但这一结果对基础物理学的许多领域都有着重要影响。一方面它强有力地否定了惰性中微子假说，但同时它也进一步支持了标准模型。
参考来源：
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/final-results-from-the-stereo-experiment-reject-sterile-neutrino-hypothesis
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04581-9
https://www.stereo-experiment.org/scientific.php?
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05568-2
https://www.science.org/content/article/nuclear-reactor-mystery-solved-no-need-new-particles
封面图&首图：J.L. Baudet, ILL
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