「冰立方」未探測到惰性中微子

冰立方中微子探測器的光學感測器進入冰層。圖片來源：Jim Haugen

本報訊近日，深埋在南極大陸冰雪中的巨型粒子探測器公布了對一種名為惰性中微子的假設粒子的尋找結果：完全沒有。

這項於8月8日刊登在《物理評論快報》上的結果並不意味著對這種亞原子粒子長達數十年尋找的結束，但它是迄今為止惰性中微子不存在於物理學家希望的質量範圍內的最有力證據。

中微子無處不在：每秒萬億個中微子飛過人們的身體。但它們與其他物質的相互作用十分微弱，難以捕捉，這就需要大型地下實驗設備，探測中微子—物質碰撞。目前，科學家已經發現3種中微子：電子中微子、渺子中微子和濤子中微子，它們也能隨著行進改變自己的類型。

上世紀90年代，美國新墨西哥州洛斯·阿拉莫斯國家實驗室發現一個異常信號，表明可能存在第四種中微子，而這種粒子與其他物質的相互作用甚至比普通中微子更弱。因此，科學家將其命名為「惰性」中微子。阿拉莫斯實驗室認為該粒子的重量約為氫原子的十億分之一，約1電子伏特。之後，其他研究也發現了類似異常現象。

但一直以來，人們從未直接發現惰性中微子。「看到它的唯一方法是依靠對其他3個中微子的觀察。」威斯康星大學麥迪遜分校物理學家Francis Halzen說。Halzen也是冰立方探測器的首席研究員。

冰立方利用一張特製的「網」捕捉中微子的滑行過程。它由5000多個埋在南極冰下2公里的光線感測器組成，其所涉及的南極冰體足以填滿幾十萬個奧林匹克游泳池。在這麼大的體積中，來自宇宙的中微子穿過太空、穿過人體甚至岩石，偶爾會撞上冰中的原子，從而發出微弱的閃光。

為了尋找惰性中微子，Halzen團隊分析了渺子中微子的運動軌跡。這些粒子產生於宇宙射線和大氣層中的空氣分子的碰撞，並穿過地球到達探測器。冰立方團隊希望發現渺子中微子在特殊能量上的衰退。這將暗示，一些渺子中微子在旅行中臨時變成惰性中微子。

但在分析了1年中積累的有價值數據後，研究人員沒有發現證據顯示存在約1電子伏特的惰性中微子。這與歐洲空間局普朗克衛星得到的結果一致，該衛星從宇宙證據中推斷，在這一質量範圍內，中微子家族可能就只有3個成員。

「我希望，我們的結果和普朗克的結果，能讓我們慢慢走回這個故事。」Halzen說。不過，該團隊仍在收集惰性中微子捕獲工作的數據，但「大家並不希望結果會有改變」。

西班牙巴倫西亞大學理論物理學家Olga Mena Requejo認為，這些發現排除了針對阿拉莫斯實驗異常信號的惰性中微子解釋，至少在最簡單的理論模型中是如此。但她和其他一些物理學家相信，一些模型仍為這種粒子的存在敞開大門。

數年前，一組科學家發現暗物質並不太冷也不太熱，這些「溫」暗物質粒子可能是一類質量更大的中微子，即惰性中微子。加州大學歐文分校理論天體物理學家Kevork Abazajian表示，雖然短暫工作的日本瞳空間望遠鏡沒有發現7千電子伏特的惰性中微子，但結果尚不確定。因此，針對更大質量惰性中微子的搜尋仍在繼續：冰立方的結果沒有顯示是否存在更巨大的惰性中微子。

不過，事情可能並不簡單。中國大亞灣實驗主要參與者之一Kam-Biu Luk說：「尋找惰性中微子就像在黑暗房間擊球。我們不知道它們在哪裡。」（張章）

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