最近在费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)进行研究的科学家宣布了一项真正令人困惑的测量结果。它涉及一种叫做中微子的亚原子粒子，它是微宇宙的幽灵，能够在没有相互作用的情况下穿过地球，在开始讨论这些奇怪的东西之前。这项由科学家们共同完成的最新测量，可能预示着一种新的中微子的发现，这种中微子可能是暗物质的来源——这是现代天文学中最紧迫的难题之一。但要理解中微子是如何结合在一起的，需要知道中微子的历史，这是一个有曲折的迷人故事，会让阿加莎·克里斯蒂(Agatha Christie)的头旋转。
奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利在1930年首次提出中微子的存在。我们现在知道，中微子只通过所谓的“弱力”进行相互作用，弱力是在比原子小的距离上产生任何影响的力中最弱的一种。中微子是在核反应和粒子加速器中产生的。1956年，由美国人克莱德·考恩(Clyde Cowan)和弗雷德里克·雷恩斯(Frederick Reines)领导的一个物理学家团队首次观测到了这些幽灵般的粒子。对于他们的发现，Reines分享了1995年的诺贝尔物理学奖(考恩在颁奖前去世)。
在过去的几十年里，很明显，有三种不同的中微子，现在被称为味道。每种中微子的味道都是不同的，就像你童年时的香草、草莓和巧克力那不勒斯冰激凌一样。中微子的实际味道来自于它们与其他亚原子粒子的联系。有电子中微子、介子中微子和tau中微子，它们分别与电子、介子和tau有关。电子是我们所熟悉的来自原子内部的粒子，而介子和介子是电子的笨拙和不稳定的近亲。中微子的每一种味道都是不同的，两者(在这个例子中是三个)永远不会相遇。
在20世纪60年代和70年代，出现了一个谜团……一个中微子之谜。美国研究人员雷蒙德·戴维斯和约翰·巴考尔试图计算和测量在太阳这个最大的核反应堆中产生的中微子(特别是电子中微子)的速率。当对预测和测量结果进行比较时他们不同意。实验人员戴维斯发现电子中微子的数量只有理论学家巴赫预测的三分之一。那个特别的实验令人瞠目结舌。戴维斯使用了一个奥运游泳池大小的容器，里面装满了标准的干洗液，用来检测中微子。
当时的想法是，当来自太阳的中微子击中干洗液中的氯原子时，这些原子就会变成氩。戴维斯会等上几个星期，然后试着提取氩气。他想要10个氩原子，但他只找到了3个，是的，你没看错，只有三个原子。除了实验上的困难之外，Bahcall所做的计算对太阳的核心温度是具有挑战性和极度敏感的。太阳温度的微小变化改变了对应该产生的中微子数量的预测。其他的实验证实了Bahcall和Davis观察到的差异，但是考虑到他们尝试做的困难，我很确定他们中的一个犯了错误。计算和测量都很难做到，但我错了。
另一个矛盾困惑，当来自外太空的宇宙射线撞击到我们所呼吸的空气中时，中微子就产生在地球的大气层中。科学家们非常确信，当这种情况发生时，介子和电子中微子以2比1的比例产生。然而当测量这些中微子时，发现介子和电子中微子的比例是1比1。然而中微子再次迷惑了物理学家。神秘的中微子来自太阳和宇宙射线从太空解决了1998年,当日本的研究人员使用一个巨大的地下水箱50000吨水研究比μ介子和电子中微子在大气中创建12英里以上,同比比创造了地球上的另一边,约8000英里远。
通过采用这种巧妙的方法，他们发现中微子在行进过程中改变了它们的身份。例如在大卫-巴霍谜题中，来自太阳的电子中微子正在转变成另外两种类型。这种中微子改变味道的现象，就像香草变成草莓或巧克力一样，叫做中微子振荡。这是因为中微子不仅改变了它们的特性而且停止了。相反如果给它们足够的时间，三种中微子不断地交换它们的身份。2001年在安大略省萨德伯里进行的实验进一步证实了中微子振荡的解释。
如果你觉得这个故事令人眼花缭乱，那我们就开始吧。多年来中微子在扫过的一周中产生了比肥皂剧更多的惊喜。随着中微子振荡现象的建立，科学家们可以利用粒子加速器对其进行研究。可以制造中微子束，并描述它们从一种味道变化到另一种味道的速度。事实上有一个完整的中微子振荡行业，全球各地的加速器都在研究这一现象。中微子研究的旗舰实验室是我自己的费米实验室。
第四种
2001年洛斯阿拉莫斯实验室(Los Alamos laboratory)开展了一项名为LSND(液体闪烁器中微子探测器)的研究。他们的测量不符合三种不同口味的中微子。为了让他们的结果有意义，他们需要假设第四种中微子。这不是一种普通的中微子。它被称为“惰性中微子”，也就是说与普通的中微子不同，它没有感觉到弱力。但它确实参与了中微子振荡…中微子味道的变形。它可能很重，这意味着它是暗物质的理想候选者。这是一个很酷的观察，但是很多其他的中微子实验都不同意。事实上，LSND的结果是一个异常值——非常奇怪，以至于它通常不用于中微子物理的元分析。
现在我们来看看费米实验室的MiniBooNE实验的最新测量结果。这个名字来自“加速中微子实验”。它使用费米实验室的一种加速器——助推器——制造中微子。“迷你”来自于一个事实，当它被建造时，一个更大的后续实验被设想。MiniBooNE的科学家们发现，他们的数据实际上支持LSND的测量，而且，如果他们将他们的数据与LSND的数据结合起来，那么测量的统计强度就足够强大，足以宣称发现……可能是无菌中微子。但是，还有一个事实是，许多其他的实验与LSND(现在是MiniBooNE)实验完全不同。这是怎么回事?这是个好问题。LSND和MiniBooNE的研究人员可能只是发现了其他实验没有发现的东西。或者是LSND和MiniBooNE都做了一个错误的发现。也可能是这两种特殊的实验装置在其他方面都很敏感。
一个重要的参数是，中微子产生的地点和被探测到的地点之间的距离相对较短——只有几百米，或者有几个足球场的长度。中微子需要时间来振荡，如果它们在运动，这就转化为距离。许多中微子振荡的实验都有位于几百英里以外的探测器。也许重要的振荡发生得很快，所以关闭检测器是至关重要的。让问题更复杂的是，LSND和MiniBooNE的合作，虽然相隔了十多年，但涉及的是同一个人。因此仍有可能重复同样的错误，或者表现出同样的才华，很难确定。那么，我们如何解决这个问题呢?我们如何发现谁是对的?这就是科学，在科学中，测量和复制赢得了争论。
这是个好消息。既然费米实验室选择了发展其研究中微子的能力，而不是一种，而是三种不同的中微子实验正在进行或正在建设中，中微子的产生和探测点之间的距离很短。一种被称为微boone (MiniBooNE的一个小版本，使用不同的技术)，另一种是ICARUS(成像宇宙和罕见的地下信号)，第三种是SBN(短基线中微子)。所有这些实验在技术能力上都远优于MiniBooNE和LSND，因此研究人员希望在几年的时间里，他们能就惰性中微子的问题发表决定性的声明。
博科园-科学科普｜文：Don Lincoln（费米国家加速器实验室，兼圣母大学物理系教授）/Live Science
