科學家探測到了新的基本粒子？
回到1990年代，在新墨西哥的洛斯阿拉莫斯國家實驗室中運行的液體閃爍中微子探測器（LSND）實驗中，科學家找到了一種被稱為「惰性中微子」的神秘新粒子的證據。然而在接下來的20多年中，這一結果一直無法被複制，其它的實驗沒有找到任何關於該粒子的跡象。
直到現在，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab）的MiniBooNE實驗再次探測到了該隱藏的信號[1]。這是一個令物理學家興奮、但又困惑的結果。這張圖顯示了LSND實驗的主要問題：圖片中的藍綠色/黃色區域與紅色/藍色區域不重疊！
△ 這張圖顯示了LSND實驗的主要問題：圖片中的藍綠色/黃色區域與紅色/藍色區域不重疊！
在已知最精確的科學理論是？一文中，我們已經探討了粒子物理學的標準模型是迄今為止最成功的理論之一。標準模型描述了基本粒子之間的相互作用，其中有一些粒子（比如夸克和電子）是比較好想像的——我們日常生活中見到、觸碰的一切都是由原子組成的，而原子就是由夸克和電子構成的。其它的粒子（比如三種已知的中微子）則抽象很多——它們是高能粒子，在宇宙中自由自在地穿梭，幾乎不與任何其它物質作用。一個令人驚訝地事實是，如果你舉起大拇指，每秒鐘就有數十億個誕生於太陽的中微子從中穿越而過。幸運的是，這些粒子並不會對我們的身體產生任何影響。
中微子有三種類型，或者說「味」，即電子中微子、μ中微子和τ中微子。它們會通過四種基本力中的弱力和引力與物質相互作用。這意味著一些特別設計過的探測器，是可以捕捉到來自太陽或是地球上的核反應所產生的中微子的。但LSND實驗提供了第一個堅實的證據表明，我們能夠探測到的或許並不是全部的圖景。
△ 在MiniBooNE實驗中，當一個中微子與原子核相互作用時產生的光會被光電探測器所捕捉到。| 圖片來源：Reidar Hahn/Fermilab
當中微子在空間中傳播時，會發生相當有趣的事情，它們會從從一種味轉化成另一種味，即所謂的「振蕩」。在MiniBooNE實驗中，研究人員朝一個巨大的油箱發射一束μ中微子。在前往油箱的途中，有一些μ中微子會轉變為電子中微子，其轉化率由兩者之間的質量差異所決定。MiniBooNE會監測電子中微子的到達，當它們罕見的與石油分子相互作用時會產生特有的輻射閃光。在運行的15年期間，MiniBooNE記錄了比預期中多出幾百個的電子中微子。
一個最簡單的解釋是，一些μ中微子會轉化為一種不同的、更重的第四種類型的中微子——惰性中微子，它們不與非中微子的物質發生相互作用。接著這些更重的惰性中微子會振蕩變成電子中微子。質量差異越大，振蕩率也就越高，那麼就有更高的探測率。
△ 這張圖是這篇新論文中的主要成果。圖中顯示了新結果與早期的LSND實驗結果一致。灰色的線表明這個區域被其他實驗「排除」了。| 圖片來源：[1]
MiniBooNE的實驗結果確認了LSND實驗的異常結果，但問題是其它重要的中微子實驗（比如位於瑞士的OPERA實驗，以及南極洲的冰立方中微子天文台）卻無法探測到惰性中微子的明顯信號。有的實驗看到了，有的實驗卻無法看到，MiniBooNE的新結果無疑使現狀變得更加複雜。這是否意味著宇宙中發生了什麼奇怪的事情，使人類建造的最先進的物理實驗相互矛盾？
如果惰性中微子確實解釋了新的結果，那麼物理學家難以理解這些新粒子的性質如何與其他我們所知道的一切相兼容。或許最麻煩的是，從對早期宇宙的光進行的宇宙學觀測表明，當時只存在了三種味的中微子。那麼若要使LSND、MiniBooNE和所有其它的實驗有意義，我們就需要全新的理論框架。
此外，為了解釋MiniBooNE的數據而假設特定的惰性中微子相對較輕，這就導致它們並沒有解決任何最初物理學家提出它們時想要解決的問題。如果惰性中微子的質量足夠大，那麼它們就可能是科學家尋找已久的「暗物質」。它們也可以通過一種被稱作「蹺蹺板機制」的數學技巧來解釋為什麼電子、μ和τ中微子如此之輕。由此看來，我們似乎沒有理由期待一個輕量級的惰性中微子。當然，有一些科學家認為存在這些較輕的惰性中微子，或許就暗示著有許多更重的版本存在。
基於這些，一些物理學家保持非常謹慎的態度，並懷疑MiniBooNE和LSND實驗或許隱藏著某些未知的問題。例如物理學家Freya Blekman就認為，這些實驗可能系統地低估了在MiniBooNE的油箱中某種稱為中性π介子的衰變率，這些事件很像是電子中微子的信號。
△ MiniBooNE實驗的最新結果發表於arXiv上，圖中顯示了論文的摘要。MiniBooNE實驗結果的統計學顯著性為4.8σ，僅比物理學家宣布一項新發現所需的5σ小一點。從摘要中我們可以看到，MiniBooNE和LSND二者結合得出的顯著性高達6.1σ（意味著該結果是僥倖的幾率約為1/5億），儘管一些研究人員對這種說法表示一定程度的懷疑。| 圖片來源：[1]
我們當然希望這是第四種中微子，因為這意味著它將是我們發現的第一個超越標準模型的基本粒子。但目前我們還無法給出確定的答案，這需要等待未來的實驗去進一步驗證（比如IsoDAR實驗）。
現在，唯一可以確定的是，某些東西正等待著被我們理解。
參考來源：
[1] https://arxiv.org/pdf/1805.12028.pdf
[2] https://www.quantamagazine.org/evidence-found-for-a-new-fundamental-particle-20180601/
[3] http://backreaction.blogspot.com
TAG:原理 |