中微子，開啟通向新物理學(xué)的大門

Robert+Adler

“王冠下的腦袋總是難以安穩(wěn)。”莎士比亞的這句話，同樣可以送給今天粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。這是迄今為止對(duì)物質(zhì)基元及其相互作用最為成功的描述。最近找到的非常類似希格斯玻色子的粒子，讓這個(gè)理論更加冠冕堂皇，因?yàn)檫@不僅證實(shí)了一個(gè)近40年之前的預(yù)言，而且填補(bǔ)了這個(gè)理論最后的空白。不過我們并未就此滿足，反倒更為迫切地希望將標(biāo)準(zhǔn)模型拉下馬來，去尋找那些最終必然超越它的嶄新物理篇章?！皹?biāo)準(zhǔn)模型就是粒子物理學(xué)，”諾貝爾獎(jiǎng)得主杰克·施泰因貝格（Jack Steinberger）說，“但很多問題目前仍無望回答?！?/p>

這些問題包括暗物質(zhì)的本質(zhì)，即這種據(jù)信占據(jù)宇宙80%質(zhì)量的神秘不可見物質(zhì)究竟什么？然后還有暗能量，它被認(rèn)為是宇宙加速膨脹的推手，而粒子物理學(xué)家將它的強(qiáng)度高估了10120倍，可謂錯(cuò)得前無古人后無來者。標(biāo)準(zhǔn)模型還無法回答物質(zhì)如何逃脫大爆炸，如何將引力納入其中。不僅如此，它還備受所謂“自由參數(shù)”（free parameter）的困擾，這些數(shù)值不能由標(biāo)準(zhǔn)模型自身得到，必須人為放進(jìn)模型中，而且數(shù)值也是任意確定的，比如對(duì)模型內(nèi)相互作用強(qiáng)度的設(shè)定就是如此。

消解這些難題需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子，但由于希格斯粒子目前表現(xiàn)得基本上中規(guī)中矩，也許通向標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理新世界的鑰匙并不在它身上，而藏身于另一種粒子：中微子。

2011年9月，中微子曾一度街知巷聞，當(dāng)時(shí)深埋于意大利大薩索山山體下的OPERA實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目宣稱，測(cè)量出中微子的傳播速度超過光速，直接違背了愛因斯坦的狹義相對(duì)論。6個(gè)月之后，這個(gè)結(jié)果被證實(shí)源自實(shí)驗(yàn)本身的一處差錯(cuò)。即便鬧了烏龍，這些讓人著迷的小粒子仍然有很多故事和秘密等待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)。

中微子如幽靈一般，不但神秘而且孤僻，因?yàn)樗鼈儙缀醪慌c周圍的物質(zhì)世界發(fā)生相互作用。有關(guān)中微子的這些謎團(tuán)都超出了標(biāo)準(zhǔn)模型的能力之外。我們目前知道3種中微子，它們看上去井井有條，分別和電子及電子的兩個(gè)更重的表親——μ子和τ子組成一對(duì)，構(gòu)成完整的輕子家族。但一開始，標(biāo)準(zhǔn)模型就錯(cuò)誤地假設(shè)，中微子的質(zhì)量為0，而且直到今天都無法在模型框架內(nèi)確定中微子的質(zhì)量。因此，標(biāo)準(zhǔn)模型也沒能預(yù)見到中微子能在3種形態(tài)之間來回變化，更別說存在更多種中微子的可能性了。

很多新的理論希望填補(bǔ)這些缺陷，這其中包括大統(tǒng)一理論、超對(duì)稱和弦論。它們當(dāng)中的某一個(gè)，或許解釋中微子為何如此奇異，從而拔得頭籌。反過來，中微子本身則會(huì)告訴我們，哪個(gè)理論才是眾望所歸。

盡管超然于世外，中微子在物理學(xué)史上一直有著救場(chǎng)粒子的美名。著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)づ堇╓olfgang Pauli）當(dāng)初構(gòu)想出這些粒子，就是為了挽救β輻射中能量和動(dòng)量的守恒。最近，中微子又在解釋宇宙中的物質(zhì)為何遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)的努力中充當(dāng)起了先鋒，用美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)理論物理學(xué)家帕特里克·胡貝爾（Patrick Huber）的話來說，“中微子能讓你進(jìn)入另一個(gè)世界，原因很簡(jiǎn)單，它跟我們這個(gè)可見的世界幾乎沒有多大的相互作用”。

味道變換

標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)中微子描述的第一道裂縫，出現(xiàn)在16年前。在那之前，很多物理學(xué)家都跟隨標(biāo)準(zhǔn)模型，假設(shè)中微子沒有質(zhì)量。但是到了1998年，日本的超級(jí)神岡實(shí)驗(yàn)證實(shí)情況并非如此。中微子總是偏愛和電子、μ子和τ子中的某一種一起被發(fā)射和吸收，就像我們喜愛特定口味的冰淇淋一樣。因此，它們也被相應(yīng)地分成3種味（flavour）：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。超級(jí)神岡研究了來自不斷轟擊地球大氣層的宇宙線中的μ子中微子，發(fā)現(xiàn)它們能夠在穿透地球的過程中變身為電子中微子。其他一些實(shí)驗(yàn)則對(duì)核反應(yīng)堆、粒子加速器及太陽核衰變過程中產(chǎn)生的中微子進(jìn)行了探測(cè)，同樣證實(shí)了這種現(xiàn)象的存在。無論中微子發(fā)射出來時(shí)屬于哪一種，在傳播過程中都會(huì)變成什錦冰淇淋一樣的味道混合體，每個(gè)冰淇淋球都包含了所有的3種味道。按照量子力學(xué)，要想這種變換有可能發(fā)生，中微子必須具有質(zhì)量。實(shí)際上，我們現(xiàn)在認(rèn)識(shí)到，每種味的中微子在傳播過程中都會(huì)變成一個(gè)周期變化的混合態(tài)，而且這3種混合態(tài)各不相同。

這就給我們出了個(gè)難題?！爸形⒆淤|(zhì)量告訴我們標(biāo)準(zhǔn)模型需要被拓展，但它沒有告訴我們?nèi)绾稳ネ卣埂！泵绹?guó)亞利桑那州立大學(xué)的理論物理學(xué)家勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）說。與之相對(duì)，某些大統(tǒng)一理論，即那些希望更進(jìn)一步統(tǒng)一除引力之外所有自然力的嘗試，確實(shí)預(yù)言了有質(zhì)量的中微子。因此，準(zhǔn)確確定中微子的質(zhì)量，能幫助理論物理學(xué)家判斷，哪種理論值得追隨?！叭藗儗?duì)這些大統(tǒng)一理論已經(jīng)猜了幾十年，它們對(duì)粒子質(zhì)量各有各的解釋，”美國(guó)麻省理工學(xué)院的喬·福爾馬焦（Joe Formaggio）評(píng)論道，“但如果你弄出個(gè)理論來解釋質(zhì)量，總得有個(gè)實(shí)際質(zhì)量作為參照吧?！?/p>

測(cè)量一個(gè)能輕易穿透一光年厚鉛板的不可見粒子，這說起來容易做起來難。捕捉中微子是個(gè)耐心活，要用足夠大的探測(cè)器，還要盯足夠長(zhǎng)的時(shí)間，直到那極其微小的相互作用概率終于顯現(xiàn)一次。用這樣的方法，我們已經(jīng)在兩個(gè)截然不同的尺度上追蹤到了中微子：亞原子世界和浩渺宇宙。70年前，恩里克·費(fèi)米（Enrico Fermi）就預(yù)見到，可以通過測(cè)量β衰變來測(cè)量中微子的質(zhì)量。在一個(gè)典型的β衰變中，原子核內(nèi)的一個(gè)中子變成質(zhì)子，同時(shí)放射出一個(gè)電子和一個(gè)電子反中微子。盡管反中微子無法直接探測(cè)到，費(fèi)米卻勾勒出一種方法，通過伴隨電子的能量和動(dòng)量，推測(cè)出這個(gè)反中微子的質(zhì)量。但是，由于中微子的質(zhì)量實(shí)在太輕，直到目前，我們?nèi)詻]有達(dá)到所需的探測(cè)靈敏度。不過，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院正在搭建一臺(tái)名為KATRIN的極為靈敏的實(shí)驗(yàn)裝置，有可能在未來幾年將第一個(gè)測(cè)出中微子質(zhì)量的榮譽(yù)攬入懷中。

與此同時(shí)，對(duì)中微子質(zhì)量的另一個(gè)嚴(yán)格限制來自宇宙：粒子會(huì)在各種地方留下自己的指紋——在大爆炸和超新星爆發(fā)產(chǎn)生的元素混合中，在宇宙膨脹速率中，在微波背景輻射中，抑或是在物質(zhì)聚合成星系和星系團(tuán)的過程中。

眾多宇宙學(xué)測(cè)量的結(jié)果綜合表明，3種中微子的質(zhì)量加起來不能超過0.3電子伏特（eV），僅有質(zhì)量排名倒數(shù)第二的電子質(zhì)量的不足百萬分之一。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的宇宙學(xué)家斯科特·都德爾遜（Scott Dodelson）感嘆道，“對(duì)我而言，通過觀察所有的星系和星系團(tuán)，竟然能探測(cè)出如此微小粒子的質(zhì)量，實(shí)在是激動(dòng)人心?！庇?guó)牛津大學(xué)的弗蘭克·克洛斯（Frank Close）則認(rèn)為，我們應(yīng)當(dāng)用心對(duì)待這些蛛絲馬跡，“我們還沒明白這一切有多妙不可言”。2013年出爐的、對(duì)普朗克空間天文臺(tái)宇宙微波背景輻射觀測(cè)結(jié)果的分析，進(jìn)一步修正了我們對(duì)3味中微子質(zhì)量之和的限制。endprint

要從這個(gè)質(zhì)量之和里區(qū)分出單獨(dú)某味中微子的質(zhì)量非常困難，因?yàn)樗鼈兛偸翘幵诓粩嘧儞Q之中。不過測(cè)量這種振蕩也可以給我們提供參考，對(duì)目前最佳數(shù)據(jù)的分析給出最輕的中微子質(zhì)量大約在0.05電子伏特。

不過事情并未水落石出?！盀槭裁磁c其他東西比起來，中微子的質(zhì)量小得如此出奇，這仍是怪事一樁，”克洛斯解釋說，“似乎它們本來想無事一身輕，但被宇宙算計(jì)了?！?/p>

好像這3種“正?！敝形⒆舆€怪異得不過癮似的，某理論甚至提出，可能還有一種或幾種“惰性”（sterile）中微子，暗暗跟隨著它們。正常中微子還能感受到弱核力，因此可以和原子核中的粒子偶然相互作用一下，惰性中微子卻不同——它們只能感受到引力，從而完全不與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用。惰性中微子對(duì)理論物理學(xué)家頗有魅力，因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)它們就可以跳出標(biāo)準(zhǔn)模型的樊籬，而且不僅可以解釋暗能量，甚至能直達(dá)物質(zhì)本源問題?！八鼈冞€有可能參與了標(biāo)準(zhǔn)模型之外、我們迄今還沒發(fā)現(xiàn)的新的基本相互作用，”費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家鮑里斯·凱瑟（Boris Kayser）補(bǔ)充說。

物質(zhì)為王

過去幾年間，在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)蹦出一連串反常事件，指向一種甚至幾種質(zhì)量大概為1 eV的惰性中微子。這個(gè)質(zhì)量既不滿足標(biāo)準(zhǔn)模型，也不在大統(tǒng)一理論的預(yù)言范圍之內(nèi)。所以，只要證實(shí)它們的確存在，研究者夢(mèng)寐以求的新物理就唾手可得了。

最近，由近200位中微子專家組成的國(guó)際研究小組發(fā)表的一篇關(guān)于惰性中微子的“白皮書”，折射出大家對(duì)此的興趣正在升溫。該白皮書描繪了21個(gè)或正在進(jìn)行、或計(jì)劃實(shí)施、或還在提議中的捕捉惰性中微子的實(shí)驗(yàn)?！耙淮蠖蜒芯繖C(jī)構(gòu)都對(duì)此興奮異常，”歐洲核子物理中心的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主卡羅·魯比亞（Carlo Rubbia）談到，“我們希望能很快看到進(jìn)展?！?/p>

除了惰性中微子，研究者還在追蹤另一項(xiàng)寶藏——尋找中微子和反中微子之間的差異。這將有助于解釋，為什么我們這個(gè)宇宙中是物質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)。按照目前我們對(duì)宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)的最佳理解，物質(zhì)和反物質(zhì)在大爆炸中被創(chuàng)造出來，數(shù)量應(yīng)該是相同的。接下來就是一場(chǎng)相互作用的風(fēng)暴，物質(zhì)和反物質(zhì)本應(yīng)短兵相接，同歸于盡，只留下光子充斥整個(gè)宇宙。然而很明顯，事情并不是這樣發(fā)生的?！盀槭裁从钪嫱耆晌镔|(zhì)構(gòu)成，對(duì)此我們還沒有很好的答案，”美國(guó)麻省理工學(xué)院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）評(píng)論說，“這實(shí)在是個(gè)讓人很尷尬的問題”。

美國(guó)哈佛大學(xué)的亞歷山大·索薩（Alexandre Sousa）說：“這大概是關(guān)于這個(gè)宇宙，我們能提出的最為根本的問題了。中微子能為我們打開一扇窺探這個(gè)問題的窗口?！?/p>

這扇窗口就是所謂的輕子生成理論（leptogenesis），它依賴于一種被稱為CP破缺的現(xiàn)象。所謂CP破缺是說，在你觀察一個(gè)粒子反應(yīng)的同時(shí)，另一個(gè)在鏡子中的人觀察由這個(gè)粒子的反粒子發(fā)生的同一種反應(yīng)，你們看到的反應(yīng)速率會(huì)稍有差別。這種現(xiàn)象在由夸克構(gòu)成的復(fù)合粒子中已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，但觀察到的速率差別不足以解釋為何大爆炸創(chuàng)造的反物質(zhì)蕩然無存。輕子生成理論則假設(shè)，在大爆炸后的第一微秒內(nèi)，年輕而熾熱的宇宙包含極重的不穩(wěn)定惰性中微子，后者很快就發(fā)生衰變，其中一些衰變成輕子，剩下的則衰變成這些輕子的反粒子——關(guān)鍵在于，這兩種衰變的速率不同，這個(gè)差異只需要很小，小到十億分之一，就可以讓物質(zhì)最終取勝，在消滅所有反物質(zhì)之后，仍能有足夠的輕子留存下來，最終形成質(zhì)子和中子，繼而產(chǎn)生恒星，星系和行星。

人們認(rèn)為，這些重惰性中微子和它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型中的同伴，在早期宇宙中相互糾纏難解難分，之后經(jīng)由一種名為蹺蹺板機(jī)制（see-saw mechanism）的物理過程，普通中微子在極熱的宇宙中通過與這些重伙伴的相互作用，獲得了自己輕得離奇的質(zhì)量。如果這幅輕子生成的圖像是正確的，我們就應(yīng)當(dāng)觀察到中微子和反中微子之間同樣存在輕微的差異。

到目前為止，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家還沒有發(fā)現(xiàn)任何令人信服的中微子CP反常。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的MINOS項(xiàng)目曾在2010年制造過一場(chǎng)小小的波瀾，宣稱發(fā)現(xiàn)μ子中微子及其反中微子在長(zhǎng)距離傳輸過程中，各自的味道混合方式存在微小差異。但到了2012年，積累了更多數(shù)據(jù)之后，這個(gè)差異又不見了。

不過，瞥見CP破缺的勝算還是不小的。2012年，中國(guó)大亞灣核電站中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的研究人員對(duì)一個(gè)名為θ13的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，這個(gè)參數(shù)描述了中微子如何在不同味之間來回變換。如果θ13數(shù)值比較小，就意味著CP破缺很難被發(fā)現(xiàn)，如果是零就完全排除了CP破缺的可能性。讓研究者寬心的是，測(cè)量出來的θ13大得有點(diǎn)讓人意外，暗示在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)CP破缺的可能性很大。美國(guó)伊利諾伊西北大學(xué)的理論物理學(xué)家安德烈·德戈維亞（André de Gouvêa）說：“我想我們現(xiàn)在已經(jīng)大局在握了?！钡谝粋€(gè)詳細(xì)結(jié)果可能會(huì)來自于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的新星（Nova）項(xiàng)目，它建造的賣點(diǎn)就是最有可能探測(cè)到中微子CP破缺。用索薩的話說，“新星是未來10年唯一能對(duì)此一探究竟的實(shí)驗(yàn)。”

不過即便中微子真的表現(xiàn)出CP破缺，故事也沒結(jié)束。只有當(dāng)包括惰性中微子在內(nèi)的所有中微子都是所謂的馬約拉納粒子（Majorana particles）時(shí)，輕子生成理論才會(huì)起作用。這意味著，跟標(biāo)準(zhǔn)模型中大多數(shù)粒子不同，這些中微子與它們的反粒子完全相同，通過蹺蹺板機(jī)制獲得質(zhì)量。

如果確實(shí)如此，我們應(yīng)該能觀測(cè)到一種名為無中微子雙β衰變（neutrin-

oless double beta decay）的過程，而標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)這種過程一籌莫展。在通常的β衰變中，一個(gè)中子變成質(zhì)子，同時(shí)放出一個(gè)電子和一個(gè)電子反中微子。有些原子核則能同時(shí)發(fā)生兩個(gè)β衰變，此時(shí)應(yīng)該有2個(gè)電子反中微子發(fā)射出來。但如果反中微子和相應(yīng)的中微子完全相同，這兩個(gè)反中微子就相當(dāng)于一個(gè)中微子-反中微子對(duì)。如此一來，剛一發(fā)射，它們就會(huì)相互湮滅成2個(gè)光子，結(jié)果整個(gè)核反應(yīng)只產(chǎn)生了2個(gè)光子和兩個(gè)電子。endprint

“無中微子雙β衰變是證明中微子就是馬約拉納粒子的目擊證人，”美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的艾倫·蓬（Alan Poon）解釋道，“它能向理論物理學(xué)家透露很多信息，提示他們?nèi)绾涡拚龢?biāo)準(zhǔn)模型，而且它還可以聯(lián)系到極早期宇宙，關(guān)系到為什么物質(zhì)比反物質(zhì)要多?！?/p>

追夢(mèng)逐幻

無中微子雙β衰變的另一個(gè)誘人之處在于，中微子的質(zhì)量會(huì)影響該反應(yīng)的速率，讓我們得以同時(shí)確定中微子的質(zhì)量?！澳憧梢砸患p雕，一手抓住最輕中微子的質(zhì)量，一手證明中微子是馬約拉納粒子，”加拿大女王學(xué)院的粒子天體物理學(xué)家阿特·麥克唐納（Art McDonald）對(duì)此充滿期望。

眼下，只有一個(gè)小組聲稱觀察到了無中微子雙β衰變，這個(gè)俄-德合作小組在2002年發(fā)表了對(duì)鍺原子衰變的研究工作，但其他實(shí)驗(yàn)都未能再現(xiàn)他們的結(jié)果。新的發(fā)現(xiàn)來自位于美國(guó)新墨西哥州卡爾斯巴的濃縮氙觀測(cè)站（Enriched Xenon Observatory），在那里對(duì)一大罐液態(tài)氙的探測(cè)表明，無中微子雙β衰變就算存在，也極其罕見，也許概率小到根本無法探測(cè)（參見《物理評(píng)論通訊》，第109卷，032505頁(yè)）。不過盡管如此，極高的回報(bào)率仍吸引著多個(gè)研究項(xiàng)目在繼續(xù)尋找這種衰變。

有關(guān)中微子還有很多問題可問。美國(guó)哈佛大學(xué)的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）認(rèn)為，目前需要的是更多更好的實(shí)驗(yàn)。他認(rèn)為，“現(xiàn)在沒什么好研究的，除非我們有一些實(shí)驗(yàn)作為向?qū)?。?/p>

弗朗西斯·黑爾岑（Francis Halzen）

也同意格拉肖的看法。他是冰立方中微子天文臺(tái)的負(fù)責(zé)人，領(lǐng)導(dǎo)著這個(gè)在南極冰層下測(cè)量穿過地球的宇宙中微子的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。“我們追逐的是與中微子振蕩相關(guān)的新的物理，這就意味著我們也許會(huì)發(fā)現(xiàn)中微子具有標(biāo)準(zhǔn)模型之外的相互作用，也許會(huì)發(fā)現(xiàn)在3種標(biāo)準(zhǔn)中微子之外，還有惰性中微子也參與其中，”他說，“甚至發(fā)現(xiàn)完全在我們預(yù)料之外的什么東西?！?/p>

他們也都指出，目前的問題在于中微子源。接下來的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中有長(zhǎng)基線中微子項(xiàng)目，由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行。它將發(fā)射一束密集中微子，穿過數(shù)百千米的地層，到達(dá)一個(gè)重達(dá)數(shù)千噸的大型探測(cè)器。另一個(gè)項(xiàng)目是英國(guó)至日本中微子工廠，計(jì)劃在英國(guó)產(chǎn)生密集中微子束轟擊在世界另一端位于日本的探測(cè)器。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都需要數(shù)十年的建造時(shí)間和數(shù)十億美元的投入。

不過魯比亞說，這些都物有所值。“這是一個(gè)有可能做出新發(fā)現(xiàn)的領(lǐng)域，但是我們不知道新的發(fā)現(xiàn)將來自何方，因此必須鼓足功敗垂成的勇氣，虛心以待?！保ň幾g自：《新科學(xué)家》，Neutrinos–the next big small thing）

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奇異的盈余

中微子家族中最大的反常之處，始于20年前的幾縷閃光。它們出現(xiàn)在美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的液體閃爍中微子探測(cè)器（LSND）之中，每個(gè)閃光都代表一個(gè)中微子穿過了探測(cè)器裝得滿滿的巨大油罐。這些閃光揭示出，自30米外的粒子加速器飛奔到油罐的過程中，有超出預(yù)期數(shù)目的μ子反中微子轉(zhuǎn)變成了電子反中微子。

對(duì)此盈余的主流解釋認(rèn)為，在傳播過程中，這些反中微子會(huì)變身為無法探測(cè)的“惰性”中微子，這就給轉(zhuǎn)變提供了另一條通道。截至1998年LSND項(xiàng)目結(jié)束，這個(gè)盈余一直存在，而且達(dá)到可觀的3.8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，雖不足以直接證實(shí)存在惰性中微子，作為間接證據(jù)已綽綽有余。“我們得到了一個(gè)令人吃驚的結(jié)果。”洛斯阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室的比爾·路易斯（Bill Louis）回憶道，他就曾效力該實(shí)驗(yàn)。

不過，如果不是后繼的一連串類似發(fā)現(xiàn)，LSND出現(xiàn)的反常也許早就被人拋諸腦后了。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的研究人員建造了MiniBooNE來檢驗(yàn)LSND的結(jié)果。他們先用中微子來做實(shí)驗(yàn)，觀察μ子中微子轉(zhuǎn)變成電子中微子，但是用了更高的能量和更長(zhǎng)的傳播距離，接著又換成跟LSND一樣的反中微子。得到的結(jié)果非常復(fù)雜，但同樣給出了惰性中微子可能存在的線索。

還有一個(gè)實(shí)驗(yàn)建議，用完全不同的方式來尋找惰性中微子。對(duì)來自太陽的中微子的早期實(shí)驗(yàn)探測(cè)使用大量的鎵，因?yàn)樘栔形⒆幽苁蛊滢D(zhuǎn)變成可探測(cè)的同位素鎵。研究人員用已知的輻射源來校準(zhǔn)探測(cè)器。有兩個(gè)相互獨(dú)立的此類實(shí)驗(yàn)，分別位于意大利和俄羅斯的地下，都發(fā)現(xiàn)來自太陽的中微子比理論模型的預(yù)測(cè)要少15%，被稱為GALLEX和SAGE反常。同樣，可能的原因是，某些中微子在到達(dá)地球之前，轉(zhuǎn)變成了無法探測(cè)的形態(tài)。

一鳴驚人

接下來就是最近在核反應(yīng)堆中發(fā)現(xiàn)的反常。通過改進(jìn)對(duì)原子核如何捕獲中微子以及核反應(yīng)產(chǎn)生中微子數(shù)量的計(jì)算方法，研究人員發(fā)現(xiàn)過去30年間有數(shù)個(gè)實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果比預(yù)期探測(cè)到的中微子要多，平均多7%?！拔覀冋业竭@些反常時(shí)，腦子里根本沒想到惰性中微子，”法國(guó)原子能委員會(huì)的中微子物理學(xué)家蒂埃里·拉塞爾（Thierry Lasserre）說，“這絕對(duì)是個(gè)大大的驚喜?！?/p>

路易斯檢查了MiniBooNE、SAGE、GALLEX和反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)中的反常。“所有結(jié)果都與LSND一致，”他說，“這就為尋找惰性中微子模型注入了新的動(dòng)力?！?/p>

美國(guó)麻省理工學(xué)院的詹尼特·康拉德（Janet Conrad）和同事最近剛剛發(fā)表了一個(gè)非常有說服力的模型，能產(chǎn)生與通常的3味中微子相平行的3種惰性中微子。這個(gè)新模型解釋了在中微子源附近發(fā)現(xiàn)的大部分反?，F(xiàn)象?！澳悴荒芗僭O(shè)只有一種惰性中微子，”康拉德解釋說，“我們用3+3得到了非常好的結(jié)果，可以很好地解釋之前發(fā)現(xiàn)的那些中微子的短缺和盈余。我們認(rèn)為這個(gè)模型將一鳴驚人?！?/p>

拉塞爾提議用更多的實(shí)驗(yàn)來平息爭(zhēng)論。他希望在現(xiàn)有的反應(yīng)堆中再加入一個(gè)高密度輻射源。如果這個(gè)輻射源能產(chǎn)生質(zhì)量在1 eV附近的較輕的惰性中微子，它們與可探測(cè)的中微子味之間的振蕩應(yīng)當(dāng)相對(duì)更快，“于是你就能看到美妙的振蕩圖案，”拉塞爾說，“如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)做出來了，要么就有所發(fā)現(xiàn)，反之就能確定惰性中微子并不存在。”他希望能在5年之內(nèi)看到這些振蕩，用他的話來說，就是“終結(jié)反常”。（來源：果殼網(wǎng)，2014-01-16）endprint