几十年来,物理学家一直怀疑有闯入者。一种隐居的、假想的亚原子粒子可能正在悄悄进入中微子的研究中,这种粒子几乎没有质量,不带电荷。一项新的研究对这一想法提出了质疑,但仍然没有解开在某些中微子实验中造成特殊结果的谜团。
“我们仍然没有答案,”杜克大学的物理学家凯特·索尔伯格说,她没有参与这项新结果。“它既令人满足又令人不满意。”
中微子有三种已知类型,在一些实验中出现的数量比预期的要多。这种奇怪的行为提出了一种诱人的前景:一种更隐秘的第四种中微子,称为惰性中微子,可能正在等待被发现。但来自微助推器中微子实验(MicroBooNE)的新数据有利于标准中微子三重奏。
位于伊利诺伊州巴达维亚费米实验室的一项名为 MiniBooNE 的早期实验多年来发现低能中微子数量多于预期,2018 年更多数据进一步证实了这一暗示( 序列号:2018 年 6 月 1 日 )。20 世纪 90 年代进行的一项更早的中微子实验也看到了类似的信号。
科学家利用 MiniBooNE 研究了一种称为中微子振荡的现象。三种已知的中微子——电子中微子、μ 子中微子和 τ 中微子——在传播过程中可以从一种类型转变或振荡到另一种类型。MiniBooNE 寻找 μ 子中微子振荡时产生的电子中微子。MiniBooNE 观察到的电子中微子明显过剩可能表明这种转换似乎比预期更频繁地发生,可能是由于惰性中微子扰乱了振荡。
但有一个问题。粒子探测器不能直接发现中微子,而是通过观察中微子在探测器内相互作用时喷出的其他粒子来识别中微子。MiniBooNE 往往会将电子(电子中微子的特征)与光子(可能指示另一种粒子的光粒子)混淆。这让科学家们不确定多余的事件是否真的是电子中微子。惰性中微子仍然是一个问号。
输入 MicroBooNE。同样在费米实验室,该实验使用了一种先进的探测器,可以区分电子和光子。因此,科学家们开始调查这些多余的事件,旨在找出它们是否涉及电子或光子。但令人困惑的是,MicroBooNE 根本没有发现任何多余的东西。在 10 月 1 日的一次研讨会和 arXiv.org 上发布的一篇论文中,MicroBooNE 基本上消除了涉及光子的额外事件的可能性。10 月 27 日在一次虚拟研讨会上报告的新结果排除了许多涉及电子的额外事件的可能类型,使得惰性中微子的想法不太可信。
目前还不清楚为什么一个实验发现了过量的物质,而另一个实验却没有发现。Scholberg 说,两次测量结果之间的差异可能归因于探测器中使用的不同材料——MiniBooNE 使用的是碳,MicroBooNE 使用的是氩气。
MiniBooNE 发现的过量事件的其他可能解释仍有待研究,其中一些可能超出了标准物理学的范围。例如,探测可能涉及与反物质伙伴正电子配对的电子。这对可能将矛头指向不同的假设亚原子物质,特别是所谓的轴子状粒子。
爱荷华州立大学艾姆斯分校的物理学家梅莉·桑切斯(Mayly Sanchez)没有参与这项研究,她说,研究人员“已经排除了这种过量的很多可能性,所以我发现结果非常引人注目”。“你为这些惰性中微子提供的藏身之处越来越少。”
但惰性中微子的所有希望并没有消失:涉及惰性中微子的更复杂的场景与其他理论上的新现象相结合仍然可以解释过量事件。
MicroBooNE 实验的联合发言人、耶鲁大学物理学家邦妮·弗莱明 (Bonnie Fleming) 表示:“仍有一个未解之谜。”“我们还有更多工作要做。这是毫无疑问的。”
