許多中微子物理學(xué)家覺(jué)得自己像在迷宮中前行,不確定要往哪里走,,也不知道哪條線索可能會(huì)把他們引入歧途 多年來(lái),,對(duì)中微子的測(cè)量結(jié)果相互矛盾使一些物理學(xué)家提出,,宇宙中存在一個(gè)充斥著不可見(jiàn)粒子的“暗區(qū)”,可以同時(shí)解釋暗物質(zhì),、宇宙膨脹和其他令人困惑的謎團(tuán),。 1993年,在美國(guó)新墨西哥州洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的地下深處,,一輛公共汽車大小的油罐內(nèi)出現(xiàn)了幾道亮光,,由此開(kāi)啟了一個(gè)引人入勝的探索故事。只不過(guò),,這個(gè)故事至今尚無(wú)定論,。 當(dāng)時(shí),科學(xué)家正利用液體閃爍體中微子探測(cè)器(LSND)來(lái)尋找由中微子產(chǎn)生的輻射爆發(fā),。在所有已知的基本粒子中,,中微子是最輕也最難以捉摸的。該實(shí)驗(yàn)的領(lǐng)導(dǎo)者之一比爾·路易斯說(shuō):“我們看到了想要看到的結(jié)果,,但這也讓我們十分驚訝,。” 問(wèn)題是,,他們看到的實(shí)在太多了,。理論物理學(xué)家假設(shè),中微子在飛行過(guò)程中可能會(huì)在不同類型——稱為不同的“味”——之間振蕩,。這一假設(shè)解釋了目前的許多天文觀測(cè)結(jié)果,。LSND對(duì)該假設(shè)進(jìn)行了檢驗(yàn),將一束μ中微子(已知三種中微子之一)對(duì)準(zhǔn)油罐,,計(jì)算到達(dá)油罐里的電中微子的數(shù)量,。然而,路易斯的團(tuán)隊(duì)檢測(cè)到的電中微子數(shù)量要比中微子振蕩理論所預(yù)測(cè)的多得多,。 此后,,研究人員又設(shè)計(jì)了數(shù)十個(gè)中微子實(shí)驗(yàn),每個(gè)實(shí)驗(yàn)的規(guī)模都比上一個(gè)更大,。在山脈內(nèi)部,、廢棄的采礦洞穴和南極的冰層之下,物理學(xué)家們?yōu)檫@些以神秘著稱的粒子建起了一座座宏偉的實(shí)驗(yàn)設(shè)施,。然而,,當(dāng)這些實(shí)驗(yàn)從各個(gè)角度對(duì)中微子進(jìn)行探測(cè)時(shí),卻不斷得出相互矛盾的粒子行為圖像,?!扒闆r越來(lái)越復(fù)雜了,”路易斯說(shuō)道,。 “這是一個(gè)非常令人困惑的故事,。我愿稱之為'小徑分岔的花園’,,”哈佛大學(xué)的中微子物理學(xué)家卡洛斯·阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嗾f(shuō)道。在阿根廷著名作家豪爾赫·路易斯·博爾赫斯 1941年的同名短篇小說(shuō)中,,時(shí)間分叉出了無(wú)限可能的未來(lái),。對(duì)于中微子,相互矛盾的結(jié)果讓理論物理學(xué)家感到困惑,,他們不確定哪些數(shù)據(jù)值得信任,,哪些數(shù)據(jù)可能會(huì)讓他們誤入歧途。阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嗾f(shuō):“就像任何偵探小說(shuō)一樣,,有時(shí)你在看到線索后,,它們會(huì)將你引向錯(cuò)誤的方向?!?/span> 1993年,,洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的液體閃爍體中微子探測(cè)器報(bào)告了大量中微子的探測(cè)結(jié)果,這令人十分困惑,。照片中,,工程師里克·博爾頓身處光電倍增管之中,一旦罐體中裝滿礦物油,,這些光電倍增管就能探測(cè)到罐內(nèi)中微子相互作用發(fā)出的光 對(duì)LSND異?,F(xiàn)象最簡(jiǎn)單的解釋是,可能存在一種新的中微子,,即第四種中微子——惰性中微子,。根據(jù)新的規(guī)則,惰性中微子可以混合所有的中微子類型,。它們會(huì)讓?duì)讨形⒆釉诰嚯x油罐較短的距離內(nèi)更容易振蕩成電中微子,。 然而,隨著時(shí)間的推移,,研究人員發(fā)現(xiàn)惰性中微子的解釋與其他實(shí)驗(yàn)的結(jié)果并不相符,。“我們找到了一個(gè)冠軍理論,,但問(wèn)題是,它在其他地方慘遭失敗,,”阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嗾f(shuō),,“我們走進(jìn)了森林深處,現(xiàn)在需要走出來(lái),?!?/span> 物理學(xué)家被迫追溯之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;他們一直在反復(fù)思考,,試圖了解混亂的暗示和不完整的結(jié)果背后是什么,。近年來(lái),,他們?cè)O(shè)計(jì)出了比惰性中微子更為復(fù)雜的新理論,但如果這些理論是正確的,,那物理學(xué)將徹底改變——同時(shí)解決中微子振蕩數(shù)據(jù)異常和其他物理學(xué)重大謎團(tuán),。尤其重要的是,新模型假定額外的較重中微子可以解釋暗物質(zhì),。目前,,我們還沒(méi)有觀測(cè)到隱藏在星系之中的暗物質(zhì)。據(jù)估計(jì),,暗物質(zhì)在宇宙構(gòu)成中所占的比例是常規(guī)物質(zhì)的4倍以上,。 近日,位于美國(guó)芝加哥附近的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室公布了MicroBooNE實(shí)驗(yàn)的4項(xiàng)分析結(jié)果,。根據(jù)這些結(jié)果,,再結(jié)合南極冰立方中微子天文臺(tái)(IceCube)的最新研究結(jié)果,科學(xué)家們認(rèn)為,,這些更復(fù)雜的中微子理論可能是正確的,,雖然論證它們還需要很多努力。 阿奎勒斯-德?tīng)柤佣啾硎?,情況隱約已經(jīng)有了變化,,新的發(fā)現(xiàn)可能即將到來(lái)。 2002年時(shí),,物理學(xué)家珍妮特·康拉德(現(xiàn)任職于麻省理工學(xué)院)拿著一個(gè)MiniBooNE實(shí)驗(yàn)中所用的探測(cè)器,。她參與建造并領(lǐng)導(dǎo)了MiniBooNE實(shí)驗(yàn) 絕望的補(bǔ)救 1930年,沃爾夫?qū)づ堇岢隽酥形⒆蛹僬f(shuō),,用來(lái)解釋在放射性衰變過(guò)程中的能量消失,。當(dāng)時(shí),他甚至將該假說(shuō)稱為“絕望的補(bǔ)救”,。這些假想粒子既沒(méi)有質(zhì)量,,也沒(méi)有電荷,這使泡利懷疑是否能用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)到它們,?!斑@是任何理論家都不應(yīng)該做的事情,”泡利在日記中如此寫(xiě)道,。但在1956年,,在一個(gè)與LSND類似的實(shí)驗(yàn)中,中微子的存在得到了證實(shí),。 然而,,當(dāng)物理學(xué)家對(duì)來(lái)自太陽(yáng)的中微子(太陽(yáng)是這種粒子的自然來(lái)源之一)進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)其數(shù)量不到恒星核反應(yīng)理論模型預(yù)測(cè)的一半時(shí),,情況很快就陷入了混亂,。到了20世紀(jì)90年代,,中微子的古怪行為變得日益明顯。不僅太陽(yáng)中微子看起來(lái)神秘地消失了,,當(dāng)宇宙射線與上層大氣碰撞時(shí),,落到地球上的中微子也消失了。 早些時(shí)候,,意大利物理學(xué)家布魯諾·龐蒂科夫提出了一個(gè)解決方案,,認(rèn)為中微子能夠改變型態(tài)。與許多基本粒子一樣,,中微子有三種類型:電中微子,、μ中微子和τ中微子。因此,,龐蒂科夫認(rèn)為,,中微子在移動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)在這些類型之間變換,而不是消失,。例如,,太陽(yáng)產(chǎn)生的一些電中微子可能會(huì)變成μ中微子,看起來(lái)就像消失了一樣,。隨著時(shí)間的推移,,理論物理學(xué)家們開(kāi)始著重描述中微子如何根據(jù)能量和傳播距離在不同類型之間的振蕩,從而與來(lái)自太陽(yáng)和宇宙的數(shù)據(jù)相匹配,。 然而,,中微子型態(tài)變換的概念讓許多物理學(xué)家難以接受。只有當(dāng)這三種中微子各自都是三種不同質(zhì)量的量子力學(xué)混合物時(shí),,在數(shù)學(xué)上才能行得通,;換句話說(shuō),型態(tài)變換意味著中微子必須具有質(zhì)量,。但粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型——描述已知基本粒子和力的方程組,,已經(jīng)得到許多驗(yàn)證——明確地認(rèn)為中微子沒(méi)有質(zhì)量。 太陽(yáng)和大氣都很復(fù)雜,,因此LSND實(shí)驗(yàn)特別選擇了另一個(gè)中微子源,,來(lái)尋找中微子型態(tài)變換的更明確證據(jù)。研究人員很快取得了進(jìn)展,?!拔覀儾畈欢嗝總€(gè)星期都會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)可能的證據(jù),”路易斯說(shuō)道,。1995年,,《紐約時(shí)報(bào)》在頭版刊登了一篇報(bào)道,,講述了該實(shí)驗(yàn)如何搜尋發(fā)生型態(tài)變換的中微子,。 LSND實(shí)驗(yàn)的批評(píng)者指出,,探測(cè)器可能會(huì)帶來(lái)誤差,自然界的中微子源也可能產(chǎn)生干擾,。即使是那些支持中微子振蕩觀點(diǎn)的科學(xué)家,,也不相信LSND的數(shù)據(jù),因?yàn)橥茢喑鰜?lái)的振蕩速率超過(guò)了太陽(yáng)中微子和大氣中微子所暗示的速率,。太陽(yáng)和大氣的數(shù)據(jù)表明,,中微子只在三種已知的“味”之間振蕩;如果加上第四種中微子——惰性中微子——的話,,就更符合LSND的數(shù)據(jù),。惰性中微子的得名,是因?yàn)樗鼈儾慌c引力以外的基本力發(fā)生相互作用,,從而無(wú)法被檢測(cè)到,。 在20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初,一系列中微子振蕩實(shí)驗(yàn)——薩德伯里中微子觀測(cè)站(SNO),、超級(jí)神岡探測(cè)器(Super-K)和KamLAND——的結(jié)果都支持三中微子振蕩模型,,一些參與實(shí)驗(yàn)的研究人員因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。另一方面,,假想的第四種中微子依然覆蓋著一層神秘的面紗,。 哈佛大學(xué)的中微子物理學(xué)家卡洛斯·阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嘣O(shè)計(jì)了一些新的理論,試圖解釋錯(cuò)綜復(fù)雜的中微子測(cè)量數(shù)據(jù) 追逐異常者 異?,F(xiàn)象經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)中突然出現(xiàn),,然后在進(jìn)一步的研究中消失,因此許多研究人員一開(kāi)始會(huì)忽略它們,。不過(guò),,麻省理工學(xué)院的珍妮特·康拉德教授卻是一位“驕傲的追逐異常者”,十分重視各種異常的現(xiàn)象,。她說(shuō):“我們并不介意混亂,。事實(shí)上,我們很喜歡,?!?/span> 當(dāng)康拉德在1993年完成博士學(xué)位時(shí),大多數(shù)粒子物理學(xué)家都在研究對(duì)撞機(jī),,試圖通過(guò)粒子的撞擊,,在碎片中發(fā)現(xiàn)出新的粒子。一些美麗的,、無(wú)所不包的理論,,比如超對(duì)稱理論,預(yù)言了標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的粒子都有一整套鏡像粒子;但對(duì)于微妙的中微子振蕩而言,,情況卻截然不同,。盡管如此,康拉德還是對(duì)LSND實(shí)驗(yàn)的結(jié)果產(chǎn)生了興趣,,并決定繼續(xù)研究下去,。“我想要大自然和我對(duì)話,;我不想告訴大自然該怎么做,,”她說(shuō)道。 20世紀(jì)90年代末,,康拉德和同樣熱衷于異?,F(xiàn)象的同事來(lái)到LSND探測(cè)器內(nèi)部,小心翼翼地抽出超過(guò)1000個(gè)琥珀色傳感器,,抹掉黏稠的油之后,,將它們安裝在一個(gè)新的中微子探測(cè)器上。這個(gè)新探測(cè)器有三層樓高,,位于費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,,被他們“MiniBooNE”?!拔覀冇需べ|,,可以讓你躺在腳手架上往上看,”康拉德說(shuō),,“這就像一個(gè)由琥珀色月亮組成的宇宙,。哇,真是太美了,?!?/span> 這個(gè)LSND實(shí)驗(yàn)增強(qiáng)版收集了從2002年到2019年的數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)五年的運(yùn)行,,MiniBooNE實(shí)驗(yàn)開(kāi)始觀察到類似的異常中微子振蕩率,,表明LSND的結(jié)果并非偶然,而且可能存在一種超輕的中微子,。 在MiniBooNE實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時(shí),,其他中微子實(shí)驗(yàn)也開(kāi)始了。這些實(shí)驗(yàn)各自探索了不同的中微子傳播距離和能量,,以了解這是如何影響它們的形狀變化的,。他們的結(jié)果似乎證實(shí)了三中微子模型,這不僅與LSND相矛盾,,現(xiàn)在也與MiniBooNE相矛盾,。 冰立方中微子探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了穿過(guò)南極表面冰層的高能中微子,。在圖中的地面實(shí)驗(yàn)室中,科學(xué)家安裝了收集原始數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī) 惰性中微子的“死亡” 追逐異常者已經(jīng)來(lái)到了一個(gè)岔路口,,而路標(biāo)指向了相反的方向,。支持存在三種中微子的證據(jù)超過(guò)了支持存在四種中微子的證據(jù)。緊接著,,普朗克空間望遠(yuǎn)鏡給了惰性中微子假說(shuō)另一個(gè)打擊。 2013年,,普朗克空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到了來(lái)自所謂宇宙微波背景的微弱輻射,,為大爆炸后不久的宇宙拍下了一張令人難以置信的詳細(xì)照片。對(duì)宇宙微波背景輻射的詳細(xì)描繪使宇宙學(xué)家得以深入檢驗(yàn)他們關(guān)于早期宇宙的理論,。 在早期宇宙中,,中微子非常活躍,,因此強(qiáng)烈地影響著宇宙膨脹的速率,。通過(guò)普朗克空間望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到的宇宙微波背景數(shù)據(jù),研究人員推算出了宇宙的膨脹速率,,進(jìn)而估算出年輕宇宙中充斥的中微子有多少種類,。數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)時(shí)的中微子有三種,。歐洲核子研究中心(CERN)的理論物理學(xué)家約阿希姆·柯普表示,,這一發(fā)現(xiàn)與其他宇宙學(xué)觀測(cè)結(jié)果“相當(dāng)肯定地排除了第四種中微子的存在”——至少是排除了理論物理學(xué)家們?cè)紤]過(guò)的惰性中微子。 到2018年,,所有人都認(rèn)為這件事已成定局,。在德國(guó)海德堡的一次中微子物理會(huì)議上,米歇爾·馬爾托尼站在一個(gè)宏偉的禮堂中宣布了惰性中微子的“死亡”,。阿奎勒斯·德?tīng)柤佣嗷貞浀溃骸八f(shuō),,'如果你不知道一切都結(jié)束了,那你現(xiàn)在應(yīng)該知道,?!?/span> 馬爾托尼的演講給中微子理論家們敲響了警鐘,他們需要一些新的想法,?!扒斑M(jìn)的道路走不通了,”阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嘤终f(shuō)回了博爾赫斯的比喻,,“那現(xiàn)在我們?cè)撛撏睦镒吣???/span> 他和同行們開(kāi)始重新審視惰性中微子理論的基礎(chǔ)假設(shè)?!霸谖锢韺W(xué)中,,我們總是會(huì)用到這樣的奧卡姆剃刀方法,,對(duì)吧?我們從最簡(jiǎn)單的假設(shè)開(kāi)始,,在這里就是一種新粒子,,但除了振蕩行為之外什么都不做,”他說(shuō),,“這可能是一個(gè)愚蠢的假設(shè),。” 暗區(qū) 過(guò)去三年中,,中微子物理學(xué)家們正越來(lái)越多地考慮增加多個(gè)中微子的可能性,,這些中微子可能通過(guò)它們自身的神秘力量相互作用。這個(gè)由不可見(jiàn)粒子組成的“暗區(qū)”(dark sector)可能有著復(fù)雜的相互關(guān)系,,類似(但獨(dú)立于)電子,、夸克和其他標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的相互關(guān)系。加拿大滑鐵盧圓周理論物理研究所的理論物理學(xué)家馬修斯·霍斯特說(shuō):“這片暗區(qū)非常豐富和復(fù)雜,,這是完全有可能的,。” 在模型中加入神秘的力可以抑制早期宇宙中產(chǎn)生的中微子數(shù)量,,從而避免普朗克望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果所提出的挑戰(zhàn),。與此同時(shí),一個(gè)具有如此多特征的暗區(qū),,也可以填補(bǔ)我們理解中的許多漏洞,。自從20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)中微子具有質(zhì)量以來(lái),理論物理學(xué)家們一直在想,,中微子是否可以解釋暗物質(zhì)——這種不可見(jiàn)的物質(zhì)似乎充滿了各個(gè)星系,。他們很快得出結(jié)論,三種已知的中微子都不具有足夠的質(zhì)量,,但如果存在一個(gè)更大的中微子家族——包括一些較重的中微子——那或許就能用來(lái)解釋暗物質(zhì),。 一個(gè)無(wú)形但豐富的暗區(qū)?這樣的想法并不新鮮,,但在這些模型中,,中微子的種類數(shù)量卻變得越來(lái)越多。這項(xiàng)研究將暗物質(zhì)和中微子異常的不同問(wèn)題放到了同一個(gè)范疇之內(nèi),。阿奎勒斯-德?tīng)柤佣嗾f(shuō):“這是一種趨同,。” 一個(gè)豐富,、復(fù)雜的暗區(qū)有助于解釋為什么今天的宇宙似乎膨脹得比預(yù)期的更快——這種現(xiàn)象被稱為“哈勃張力”——以及如果暗物質(zhì)由單一的惰性粒子組成的話,,為什么星系的聚集程度沒(méi)有預(yù)想的那么高。美國(guó)普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家克里斯蒂娜·克瑞施說(shuō):“改變暗物質(zhì)的物理性質(zhì),,的確會(huì)對(duì)這樣的宇宙張力產(chǎn)生影響,?!?/span> 這些模型與舊的觀點(diǎn)產(chǎn)生了共鳴。例如,,早在幾十年前就有人提出假設(shè),,認(rèn)為存在一些非常重的中微子,可以解釋三種已知中微子的令人困惑的微小質(zhì)量(在“蹺蹺板機(jī)制”中,,已知的輕中微子和重中微子的質(zhì)量可能呈反比關(guān)系),。大爆炸后重中微子的衰變被認(rèn)為是今天宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)多得多的可能原因?!昂芏嗳?,包括我自己在內(nèi),都在研究這種聯(lián)系,,”約阿希姆·柯普說(shuō)道。 今年早些時(shí)候,,阿奎勒斯-德?tīng)柤佣?、康拉德和幾位合作者提出了一個(gè)暗區(qū)模型,包含了三種不同質(zhì)量的重中微子,。他們的研究結(jié)果很快就將發(fā)表在《物理評(píng)論D》(Physical Review D)上,。該模型通過(guò)調(diào)和一種重中微子的衰變與一種輕中微子的振蕩,解釋了LSND和MiniBooNE的數(shù)據(jù),;與此同時(shí),,該模型也為解釋中微子質(zhì)量的起源、宇宙中物質(zhì)-反物質(zhì)的不對(duì)稱,,以及暗物質(zhì)留下了空間,。 追逐異常的研究者們?cè)谠O(shè)計(jì)這個(gè)新模型時(shí),考慮到了MiniBooNE實(shí)驗(yàn)的一個(gè)缺陷:它無(wú)法區(qū)分電中微子產(chǎn)生的信號(hào)和某些粒子衰變所產(chǎn)生的信號(hào),。這就引出了一種可能性:除了輕中微子會(huì)在不同類型之間振蕩外,,重中微子也可能在探測(cè)器的內(nèi)部衰變,這就解釋了探測(cè)器為什么會(huì)獲得豐富的信號(hào),。 全新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持了這一模型,。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的MicroBooNE實(shí)驗(yàn)是MiniBooNE實(shí)驗(yàn)的后續(xù),經(jīng)過(guò)了重新配置以糾正缺陷,。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果即將發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)上,,表明惰性中微子本身并不能解釋MiniBooNE的異常現(xiàn)象,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能暗示著這樣一種可能性,,即只有一半的MiniBooNE事件是由中微子振蕩引起的。MicroBooNE團(tuán)隊(duì)最近的報(bào)告稱,,我們熟悉的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子的衰變幾乎肯定不能解釋剩余的事件,。MicroBooNE實(shí)驗(yàn)明年將開(kāi)始下一個(gè)版本的實(shí)驗(yàn),,屆時(shí)或許就能確定探測(cè)器內(nèi)部暗區(qū)的重粒子衰變的可能性。 物理學(xué)家也在重新探索原先的道路,,用現(xiàn)有數(shù)據(jù)檢查他們的暗區(qū)模型,。例如,冰立方實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)自2016年以來(lái)發(fā)表了一系列聲明——一次比一次有信心——宣稱沒(méi)有發(fā)現(xiàn)惰性中微子穿過(guò)冰層的跡象,。冰立方是一個(gè)由5000個(gè)探測(cè)器組成的陣列,,埋在南極冰層下數(shù)公里深處。不過(guò),,近期發(fā)布的一項(xiàng)分析發(fā)現(xiàn),,如果惰性中微子可以衰變?yōu)槠渌床灰?jiàn)的粒子,那么冰立方的數(shù)據(jù)實(shí)際上有利于它們的存在,。該團(tuán)隊(duì)的完整分析報(bào)告尚未發(fā)表,,但研究人員強(qiáng)調(diào),在獲得定論之前,,有必要對(duì)這種可能性進(jìn)行評(píng)估,。 最后,綜合所有中微子振蕩實(shí)驗(yàn)的分析也發(fā)現(xiàn)了支持惰性中微子衰變的證據(jù),。 大膽斷言存在大量隱形粒子需要大膽的證據(jù),,但并不是所有人都能被說(shuō)服。德國(guó)慕尼黑大學(xué)的戈蘭·森揚(yáng)諾維奇說(shuō):“我一直在賭所有異?,F(xiàn)象都不會(huì)發(fā)生,。”作為中微子質(zhì)量蹺蹺板模型的提出者之一,,森揚(yáng)諾維奇表示,,我們不應(yīng)該假設(shè)越來(lái)越多的粒子來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)中的意外結(jié)果,“最首要的”應(yīng)當(dāng)是以現(xiàn)有理論為指導(dǎo),,在高度成功的標(biāo)準(zhǔn)模型之外只做最小的改動(dòng),。 但在“小徑分岔的花園”中,追求極簡(jiǎn)主義和簡(jiǎn)潔性的假設(shè)往往是錯(cuò)誤的,。標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)電中微子,、μ中微子和τ中微子是無(wú)質(zhì)量的,但后來(lái)的研究表明它們并不是,。理論物理學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為,,如果這些中微子具有質(zhì)量,那它們一定有足夠的質(zhì)量來(lái)解釋暗物質(zhì)——但結(jié)果也是否定的,。也許我們需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行更精細(xì)的擴(kuò)展,。康拉德等物理學(xué)家也強(qiáng)調(diào),,從異?,F(xiàn)象中尋找線索能帶來(lái)好處,。 走出迷宮 現(xiàn)在的挑戰(zhàn)是如何進(jìn)入假想中的暗區(qū)。泡利曾感嘆,,提出不可探測(cè)的粒子是任何理論物理學(xué)家都不應(yīng)該做的事情,;但幸運(yùn)的是,物理學(xué)家們或許能夠通過(guò)三種熟悉的中微子“聽(tīng)到”黑暗世界的低語(yǔ),?!爸形⒆颖举|(zhì)上就是一種暗粒子,”美國(guó)紐約大學(xué)的粒子物理學(xué)家尼爾·韋納說(shuō),,“它有能力與其他暗粒子相互作用并混合,,而在標(biāo)準(zhǔn)模型中,沒(méi)有其他粒子能做到這一點(diǎn),?!?/span> 即將開(kāi)始的新型中微子實(shí)驗(yàn)可能會(huì)打開(kāi)通往暗區(qū)的大門。在MicroBooNE之后,,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的SBND和ICARUS實(shí)驗(yàn)將很快啟動(dòng),,并在多個(gè)距離和能量上探測(cè)中微子振蕩,幫助科學(xué)家更清晰地了解這些振蕩的完整模式,。與此同時(shí),,費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的DUNE實(shí)驗(yàn)將具有更高的靈敏度,,可能會(huì)探測(cè)到較重的暗區(qū)粒子,。康拉德表示,,在“靜止衰變”實(shí)驗(yàn)中,,仔細(xì)觀察中微子從放射源(如鋰-8)噴涌而出的過(guò)程,將為解釋目前混亂的結(jié)果提供另一種觀點(diǎn),。 冰立方中微子探測(cè)器也提供了一個(gè)不同尋常的有利位置,。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛱綔y(cè)到宇宙射線與地球大氣層碰撞時(shí)產(chǎn)生的高能中微子。這些中微子可能會(huì)與冰立方內(nèi)部的粒子相互作用發(fā)生散射,,并變形為奇異的,、質(zhì)量較大的中微子——研究者懷疑這些中微子會(huì)在MiniBooNE內(nèi)部衰變。馬修斯·霍斯特表示,,如果冰立方在一段距離之外看到了這種散射和重中微子衰變,,這種“雙重重?fù)簟钡奶卣鳌皩⑹且环N新粒子存在的非常有力的證據(jù)”。 這些可能性使得暗區(qū)“不僅僅是一個(gè)睡前故事,,”韋納說(shuō)道,。然而,即使暗區(qū)存在,,并且以常見(jiàn)的中微子作為媒介,,也不能保證它們的聯(lián)系足夠強(qiáng),,能夠揭示隱藏的東西。美國(guó)密歇根大學(xué)的物理學(xué)家喬?!に蛊ご恼f(shuō):“任何合理的實(shí)驗(yàn)都可能完全無(wú)法獲得重中微子,。” 當(dāng)然,,從LSND開(kāi)始出現(xiàn)的每一次中微子異常都可能有平凡無(wú)奇的解釋,。“也許所有這些異常都出錯(cuò)了,,也許只是非常不走運(yùn),,它們看起來(lái)都彼此相關(guān),”康拉德說(shuō),,“那將是大自然極為殘忍的表現(xiàn),。” 至于阿奎勒斯-德?tīng)柤佣?,他?duì)最終走出迷宮持樂(lè)觀態(tài)度,。“科學(xué)是分階段進(jìn)行的,,然后可能突然就中斷了,,”他說(shuō),“我在積累線索并繼續(xù)追問(wèn),。有些信息比其他信息更可靠,;你必須自己判斷?!?/span> 編輯:靜玲子 |
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來(lái)自: fjgsd > 《物理常識(shí)》