科学家排除第四种中微子，三十年谜团仍未解开

MicroBooNE实验首次用单一探测器配合两束中微子束，排除了“惰性中微子”这种假想粒子的可能性。三十年的疑案没有结束，反而变得更有悬念。

粒子物理学有个悬了几十年的谜题，中微子的行为，总像在对标准模型挤眉弄眼。多年来，科学家怀疑，也许存在一种全新的中微子，它不参与任何相互作用，所以被称为惰性中微子。它几乎不与宇宙发生接触，就像影子一般，因此极难发现。要是能找到它，也许就能解释那些反常的中微子现象。

这一次，科学家用了更精密的办法，却发现它根本不存在。

这项研究来自国际团队，他们在美国费米实验室运行名为MicroBooNE的探测器。这台探测器放在两束不同的中微子束上，持续观测了数千个中微子的行为。理论上，如果惰性中微子真的存在，它会留下非常清晰的变化信号。结果发表在《自然》，给出的结论是，没有发现任何证据，以九十五个百分点的把握排除了“单一惰性中微子”的解释。

MicroBooNE负责人之一、曼彻斯特大学的Justin Evans说，这个结果会推动物理学家重新寻找“标准模型之外”的新方向。他形容，这是一个能让整条研究路线焕发活力的结果，有时候科学的关键，不是你找到什么，而是你没找到什么。

曼彻斯特大学在这个研究里扮演了核心角色。Elena Gramellini负责NuMI中微子束的物理程序，她的工作是解读数据的关键部分。Roxanne Guenette则是MicroBooNE短基线振荡项目的发起人之一，早年奠定了研究惰性中微子的策略。如今的论文，是在那套工作基础上继续推进的。

已知的中微子有三种味道，分别是μ子中微子、电子中微子和τ中微子，它们在传播时会互相转化。但这种“变味”速度，比标准模型能解释的更快。几十年前，LSND和MiniBooNE实验都曾观察到短距离上的快速变味，好像暗示有第四种中微子在场。Evans解释说，这种异常最常见的解释，就是惰性中微子。

MicroBooNE从二零一五年持续到二零二一年收集数据，同时利用费米实验室的加速器中微子束和NuMI束，是第一个用单探测器加双束源进行惰性中微子搜索的实验。这样的设计大幅减少了不确定性，使团队能够排除几乎全部最受关注的“惰性中微子可能存在的区域”。

虽然惰性中微子被排除了，但谜题本身依然悬着。中微子到底为何出现那些反常行为，还没有答案。MicroBooNE团队还在继续分析剩下的数据，短基线中微子计划里的其他实验也正在加入调查。

除了寻找新粒子，这项研究还让科学家更了解中微子在液氩中的相互作用。这个指标非常重要，将直接帮助未来的大型液氩时间投影室实验，例如深地下中微子实验。

费米实验室的Matthew Toups说，能一边做对整个领域有重大影响的前沿研究，一边开发新技术支持未来测量，是一件真正令人兴奋的事。

本文译自 manchester，由 BALI 编辑发布。