“博科園”B站已開通粉絲應(yīng)援團(tuán)，歡迎加入哦

回到1990年代，在新墨西哥的洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的液體閃爍中微子探測器（LSND）實(shí)驗(yàn)中，科學(xué)家找到了一種被稱為“惰性中微子”的神秘新粒子的證據(jù)。然而在接下來的20多年中，這一結(jié)果一直無法被復(fù)制，其它的實(shí)驗(yàn)沒有找到任何關(guān)于該粒子的跡象。

直到現(xiàn)在，美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab）的MiniBooNE實(shí)驗(yàn)再次探測到了該隱藏的信號[1]。這是一個(gè)令物理學(xué)家興奮、但又困惑的結(jié)果。

在《已知最精確的科學(xué)理論是？》一文中，我們已經(jīng)探討了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型是迄今為止最成功的理論之一。標(biāo)準(zhǔn)模型描述了基本粒子之間的相互作用，其中有一些粒子（比如夸克和電子）是比較好想象的——我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷健⒂|碰的一切都是由原子組成的，而原子就是由夸克和電子構(gòu)成的。其它的粒子（比如三種已知的中微子）則抽象很多——它們是高能粒子，在宇宙中自由自在地穿梭，幾乎不與任何其它物質(zhì)作用。一個(gè)令人驚訝地事實(shí)是，如果你舉起大拇指，每秒鐘就有數(shù)十億個(gè)誕生于太陽的中微子從中穿越而過。幸運(yùn)的是，這些粒子并不會(huì)對我們的身體產(chǎn)生任何影響。

中微子有三種類型，或者說“味”，即電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們會(huì)通過四種基本力中的弱力和引力與物質(zhì)相互作用。這意味著一些特別設(shè)計(jì)過的探測器，是可以捕捉到來自太陽或是地球上的核反應(yīng)所產(chǎn)生的中微子的。但LSND實(shí)驗(yàn)提供了第一個(gè)堅(jiān)實(shí)的證據(jù)表明，我們能夠探測到的或許并不是全部的圖景。

當(dāng)中微子在空間中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生相當(dāng)有趣的事情，它們會(huì)從從一種味轉(zhuǎn)化成另一種味，即所謂的“振蕩”。在MiniBooNE實(shí)驗(yàn)中，研究人員朝一個(gè)巨大的油箱發(fā)射一束μ中微子。在前往油箱的途中，有一些μ中微子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮又形⒆?，其轉(zhuǎn)化率由兩者之間的質(zhì)量差異所決定。MiniBooNE會(huì)監(jiān)測電子中微子的到達(dá)，當(dāng)它們罕見的與石油分子相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生特有的輻射閃光。在運(yùn)行的15年期間，MiniBooNE記錄了比預(yù)期中多出幾百個(gè)的電子中微子。

一個(gè)最簡單的解釋是，一些μ中微子會(huì)轉(zhuǎn)化為一種不同的、更重的第四種類型的中微子——惰性中微子，它們不與非中微子的物質(zhì)發(fā)生相互作用。接著這些更重的惰性中微子會(huì)振蕩變成電子中微子。質(zhì)量差異越大，振蕩率也就越高，那么就有更高的探測率。

MiniBooNE的實(shí)驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)了LSND實(shí)驗(yàn)的異常結(jié)果，但問題是其它重要的中微子實(shí)驗(yàn)（比如位于瑞士的OPERA實(shí)驗(yàn)，以及南極洲的冰立方中微子天文臺(tái)）卻無法探測到惰性中微子的明顯信號。有的實(shí)驗(yàn)看到了，有的實(shí)驗(yàn)卻無法看到，MiniBooNE的新結(jié)果無疑使現(xiàn)狀變得更加復(fù)雜。這是否意味著宇宙中發(fā)生了什么奇怪的事情，使人類建造的最先進(jìn)的物理實(shí)驗(yàn)相互矛盾？

如果惰性中微子確實(shí)解釋了新的結(jié)果，那么物理學(xué)家難以理解這些新粒子的性質(zhì)如何與其他我們所知道的一切相兼容?；蛟S最麻煩的是，從對早期宇宙的光進(jìn)行的宇宙學(xué)觀測表明，當(dāng)時(shí)只存在了三種味的中微子。那么若要使LSND、MiniBooNE和所有其它的實(shí)驗(yàn)有意義，我們就需要全新的理論框架。

此外，為了解釋MiniBooNE的數(shù)據(jù)而假設(shè)特定的惰性中微子相對較輕，這就導(dǎo)致它們并沒有解決任何最初物理學(xué)家提出它們時(shí)想要解決的問題。如果惰性中微子的質(zhì)量足夠大，那么它們就可能是科學(xué)家尋找已久的“暗物質(zhì)”。它們也可以通過一種被稱作“蹺蹺板機(jī)制”的數(shù)學(xué)技巧來解釋為什么電子、μ和τ中微子如此之輕。由此看來，我們似乎沒有理由期待一個(gè)輕量級的惰性中微子。當(dāng)然，有一些科學(xué)家認(rèn)為存在這些較輕的惰性中微子，或許就暗示著有許多更重的版本存在。

基于這些，一些物理學(xué)家保持非常謹(jǐn)慎的態(tài)度，并懷疑MiniBooNE和LSND實(shí)驗(yàn)或許隱藏著某些未知的問題。例如物理學(xué)家Freya Blekman就認(rèn)為，這些實(shí)驗(yàn)可能系統(tǒng)地低估了在MiniBooNE的油箱中某種稱為中性π介子的衰變率，這些事件很像是電子中微子的信號。

MiniBooNE實(shí)驗(yàn)的最新結(jié)果發(fā)表于arXiv上，圖中顯示了論文的摘要。MiniBooNE實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性為4.8σ，僅比物理學(xué)家宣布一項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)所需的5σ小一點(diǎn)。從摘要中我們可以看到，MiniBooNE和LSND二者結(jié)合得出的顯著性高達(dá)6.1σ（意味著該結(jié)果是僥幸的幾率約為1/5億），盡管一些研究人員對這種說法表示一定程度的懷疑。

我們當(dāng)然希望此次發(fā)現(xiàn)的是第四種中微子，因?yàn)檫@意味著我們發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的基本粒子。但目前我們還無法給出確定的答案，這需要等待未來的實(shí)驗(yàn)去進(jìn)一步驗(yàn)證（比如IsoDAR實(shí)驗(yàn)）?，F(xiàn)在，唯一可以確定的是，某些東西正等待著被我們理解。

博科園-科學(xué)科普｜文：Zwicky｜來自：原理/principia1687