回到1990年代，在新墨西哥的洛斯阿拉莫斯国家实验室中运行的液体闪烁中微子探测器（LSND）实验中，科学家找到了一种被称为“惰性中微子”的神秘新粒子的证据。然而在接下来的20多年中，这一结果一直无法被复制，其它的实验没有找到任何关于该粒子的迹象。
直到现在，美国费米国家加速器实验室（Fermilab）的MiniBooNE实验再次探测到了该隐藏的信号[1]。这是一个令物理学家兴奋、但又困惑的结果。
○ 这张图显示了LSND实验的主要问题：图片中的蓝绿色/黄色区域与红色/蓝色区域不重叠！
在《已知最精确的科学理论是？》一文中，我们已经探讨了粒子物理学的标准模型是迄今为止最成功的理论之一。标准模型描述了基本粒子之间的相互作用，其中有一些粒子（比如夸克和电子）是比较好想象的——我们日常生活中见到、触碰的一切都是由原子组成的，而原子就是由夸克和电子构成的。其它的粒子（比如三种已知的中微子）则抽象很多——它们是高能粒子，在宇宙中自由自在地穿梭，几乎不与任何其它物质作用。一个令人惊讶地事实是，如果你举起大拇指，每秒钟就有数十亿个诞生于太阳的中微子从中穿越而过。幸运的是，这些粒子并不会对我们的身体产生任何影响。
中微子有三种类型，或者说“味”，即电子中微子、μ中微子和τ中微子。它们会通过四种基本力中的弱力和引力与物质相互作用。这意味着一些特别设计过的探测器，是可以捕捉到来自太阳或是地球上的核反应所产生的中微子的。但LSND实验提供了第一个坚实的证据表明，我们能够探测到的或许并不是全部的图景。
○ 在MiniBooNE实验中，当一个中微子与原子核相互作用时产生的光会被光电探测器所捕捉到。| 图片来源：Reidar Hahn/Fermilab
当中微子在空间中传播时，会发生相当有趣的事情，它们会从从一种味转化成另一种味，即所谓的“振荡”。在MiniBooNE实验中，研究人员朝一个巨大的油箱发射一束μ中微子。在前往油箱的途中，有一些μ中微子会转变为电子中微子，其转化率由两者之间的质量差异所决定。MiniBooNE会监测电子中微子的到达，当它们罕见的与石油分子相互作用时会产生特有的辐射闪光。在运行的15年期间，MiniBooNE记录了比预期中多出几百个的电子中微子。
一个最简单的解释是，一些μ中微子会转化为一种不同的、更重的第四种类型的中微子——惰性中微子，它们不与非中微子的物质发生相互作用。接着这些更重的惰性中微子会振荡变成电子中微子。质量差异越大，振荡率也就越高，那么就有更高的探测率。
○ 这张图是这篇新论文中的主要成果。图中显示了新结果与早期的LSND实验结果一致。灰色的线表明这个区域被其他实验“排除”了。| 图片来源：[1]
MiniBooNE的实验结果确认了LSND实验的异常结果，但问题是其它重要的中微子实验（比如位于瑞士的OPERA实验，以及南极洲的冰立方中微子天文台）却无法探测到惰性中微子的明显信号。有的实验看到了，有的实验却无法看到，MiniBooNE的新结果无疑使现状变得更加复杂。这是否意味着宇宙中发生了什么奇怪的事情，使人类建造的最先进的物理实验相互矛盾？
如果惰性中微子确实解释了新的结果，那么物理学家难以理解这些新粒子的性质如何与其他我们所知道的一切相兼容。或许最麻烦的是，从对早期宇宙的光进行的宇宙学观测表明，当时只存在了三种味的中微子。那么若要使LSND、MiniBooNE和所有其它的实验有意义，我们就需要全新的理论框架。
此外，为了解释MiniBooNE的数据而假设特定的惰性中微子相对较轻，这就导致它们并没有解决任何最初物理学家提出它们时想要解决的问题。如果惰性中微子的质量足够大，那么它们就可能是科学家寻找已久的“暗物质”。它们也可以通过一种被称作“跷跷板机制”的数学技巧来解释为什么电子、μ和τ中微子如此之轻。由此看来，我们似乎没有理由期待一个轻量级的惰性中微子。当然，有一些科学家认为存在这些较轻的惰性中微子，或许就暗示着有许多更重的版本存在。
基于这些，一些物理学家保持非常谨慎的态度，并怀疑MiniBooNE和LSND实验或许隐藏着某些未知的问题。例如物理学家Freya Blekman就认为，这些实验可能系统地低估了在MiniBooNE的油箱中某种称为中性π介子的衰变率，这些事件很像是电子中微子的信号。
○ MiniBooNE实验的最新结果发表于arXiv上，图中显示了论文的摘要。MiniBooNE实验结果的统计学显著性为4.8σ，仅比物理学家宣布一项新发现所需的5σ小一点。从摘要中我们可以看到，MiniBooNE和LSND二者结合得出的显著性高达6.1σ（意味着该结果是侥幸的几率约为1/5亿），尽管一些研究人员对这种说法表示一定程度的怀疑。| 图片来源：[1]
我们当然希望此次发现的是第四种中微子，因为这意味着我们发现了第一个超越标准模型的基本粒子。但目前我们还无法给出确定的答案，这需要等待未来的实验去进一步验证（比如IsoDAR实验）。
现在，唯一可以确定的是，某些东西正等待着被我们理解。
参考来源：
发表于 2018-6-4 11:30
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