一個謎題的終結(jié)  

我們生活在一個由粒子所構(gòu)成的世界之中。在現(xiàn)代粒子物理學(xué)中，所有已知的基本粒子及其相互作用，都是由粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型描述的。

在標(biāo)準(zhǔn)模型中，中微子吸引了許多的關(guān)注。目前，已確認存在三種不同類型的中微子，或者說中微子有三種“味”，分別是電子中微子、μ子中微子、τ子中微子。除此之外，物理學(xué)家還預(yù)言了第四種類型——惰性中微子。

惰性中微子的存在與否是物理學(xué)中的一大謎題?，F(xiàn)在，這一謎題的終極結(jié)論似乎已被揭曉。在一項新的研究中，研究人員在結(jié)合了大量的實驗數(shù)據(jù)后，稱他們排除了惰性中微子存在的可能。

這一對粒子物理學(xué)有著重要意義的研究結(jié)果被發(fā)表在了1月11日的《自然》雜志上。

  一種神奇的“身份”轉(zhuǎn)換  

中微子是宇宙中最豐富的基本粒子之一，它們有的來自太陽核心的聚變，有的來自宇宙射線與地球大氣的相互作用，有的來自在加速器中產(chǎn)生的粒子的衰變。每一秒，數(shù)萬億顆中微子穿過我們的身體，但我們無法察覺它們的存在。

盡管中微子的數(shù)量極其豐富，但由于它們幾乎不與任何物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致探測中微子變得極為棘手，因此它們也常被稱為“幽靈粒子”。

在過去的實驗中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這些粒子的一個奇怪特性：當(dāng)中微子在空間中傳播時，它們的“身份”可以互相轉(zhuǎn)變——從一種“味”自發(fā)地轉(zhuǎn)化成另一種。例如，當(dāng)從太陽核心釋放出來的一個電子中微子在抵達地球前，它是可以轉(zhuǎn)變成其它身份的。這種過程被稱為中微子振蕩。

在過去很長一段時間里，物理學(xué)家認為中微子是無質(zhì)量的，但中微子振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，證實了中微子必須是有質(zhì)量的。因為這種奇異的現(xiàn)象只有在中微子是有質(zhì)量的情況下才會發(fā)生。

  異常的實驗結(jié)果  

1996年，科學(xué)家在一項實驗中發(fā)現(xiàn)了一種具有新頻率的異常中微子振蕩，這預(yù)示著可能存在第四種中微子，也就是惰性中微子。

之所以說它們是“惰性的”，是因為它們不參與弱相互作用，只有當(dāng)一種普通中微子通過振蕩變成它時，它才會出現(xiàn)。此外，它們的質(zhì)量應(yīng)該比其他三種中微子要大得多。

隨著實驗精度的提高，這一假設(shè)在2011年得到了進一步的支持。當(dāng)時，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，核反應(yīng)堆產(chǎn)生的反電子中微子（即電子中微子的反粒子）的總數(shù)（通量）比理論預(yù)測值低6%。這一顯著的異常是可能存在惰性中微子的最有力線索之一，因為造成這種缺失的一個可能解釋是，一些中微子在離開反應(yīng)堆堆芯后變成了惰性中微子。但這種說法，一直沒能得到實驗的確鑿證實。

在核反應(yīng)堆中，反中微子的產(chǎn)生源自于β衰變。具體來說，當(dāng)反應(yīng)堆中鈾-235和钚-239在經(jīng)過裂變反應(yīng)分裂成更輕的原子核后，更輕的原子核會經(jīng)歷放射性衰變。在這樣的衰變過程中，原子核中的中子會變成質(zhì)子，釋放出一個電子和一個反電子中微子。

  STEREO實驗  

2017年，為了明確地檢驗惰性中微子是否存在，并確定它們的性質(zhì)，格勒諾布爾國際研究所的高通量核研究反應(yīng)堆開始設(shè)計并開始運行STEREO實驗。

STEREO實驗的中微子探測器是由6個相同的部分組成的，它們被放置在距離反應(yīng)堆堆芯9~11米的地方。之所以選擇這個距離范圍，是因為在那里，轉(zhuǎn)變成惰性中微子的振蕩，可以顯現(xiàn)在電子中微子的能譜中。

此外，由于中微子是很難被探測的粒子，來自反應(yīng)堆外的其他信號來源可以很輕易地對目標(biāo)信號造成干擾，因此這樣的實驗需要對探測器進行外部環(huán)境隔絕。在STEREO實驗中，合作組對背景信號進行了較好的屏蔽控制。

STEREO實驗示意圖，探測器被放置在反應(yīng)堆堆芯旁。（圖/）

如果反中微子確實振蕩成了惰性反中微子，那么在STEREO實驗中，就可以既看到2011年的反中微子通量異常，還可以看到反中微子能譜會隨著探測器與反應(yīng)堆的距離變化而變化。因為有著更低能量的中微子，應(yīng)該比有著更高能量的中微子轉(zhuǎn)變得更快，從而會在中微子前進的過程中改變它的能譜。

如果存在惰性中微子，那么探測到的能譜的形狀會隨著距離變化。（圖/D. Lhuillier, CEA via ）

在2017年至2020年期間，STEREO合作組總共觀測到超過10萬個中微子。然而，卻沒有發(fā)現(xiàn)任何表明惰性中微子存在的痕跡。他們的數(shù)據(jù)顯示，雖然反中微子的通量的測量值確實比預(yù)測值低5.5%，但反中微子的能譜并沒有隨著與反應(yīng)堆的距離變化而變化。

這意味著，STEREO實驗證實了通量異常，但排除了這種異常是由惰性中微子引起的可能性。

  迷霧仍在  

其實，早在2017年，來自中國大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗的物理學(xué)家就曾對2011年的實驗結(jié)果提出過質(zhì)疑。在大亞灣實驗中，研究人員在反應(yīng)堆中使用了4%的鈾-235作為燃料。最終的結(jié)果表明，隨著鈾-235數(shù)量的減少，反中微子缺失的量也在縮小。這意味著，來自鈾-235的反中微子通量可能被高估了。

現(xiàn)在，STEREO合作組證實了這種懷疑，他們在很大程度上排除了惰性中微子存在的可能。然而，迷霧并沒有散去。最新的結(jié)果雖然證實了反應(yīng)堆中的反中微子通量的確存在異常，但這種異常的原因仍是一個謎。

盡管仍然迷霧重重，但這一結(jié)果對基礎(chǔ)物理學(xué)的許多領(lǐng)域都有著重要影響。一方面它強有力地否定了惰性中微子假說，但同時它也進一步支持了標(biāo)準(zhǔn)模型。