凤凰彩票welcome 重磅发现指出”惰性中微子不存在”, 关闭“超越标准模型"之门
当费米实验室MicroBooNE探测器的科学家们在《自然》杂志上宣布他们的最新发现时，一个持续了三十年的物理学悬案终于有了明确答案。他们以95%的置信度排除了惰性中微子的存在，彻底关闭了这扇曾被寄予厚望的"超越标准模型"之门。
这个结论来得并不容易。从1995年洛斯阿拉莫斯国家实验室的LSND实验首次观测到无法解释的中微子异常信号开始，物理学界就在苦苦寻找答案。
从希望到幻灭的侦探故事
中微子本身就是自然界最神秘的角色之一。这些几乎不与任何物质相互作用的幽灵粒子每秒钟都有数万亿个穿过我们的身体，却不留下任何痕迹。标准模型最初认为它们没有质量，但上世纪末的观测彻底改变了这一认知。
科学家发现中微子有三种类型，分别被称为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。更奇妙的是，这些中微子会在飞行过程中改变身份，这种现象叫做"味振荡"。一个从太阳出发时还是电子中微子的粒子，到达地球时可能已经变成了μ子中微子。这种变身魔术只有在中微子具有质量时才可能发生，因此振荡现象的发现直接挑战了标准模型的预言。
但更麻烦的事情还在后面。LSND实验在1990年代观测到μ子中微子转变为电子中微子的比例异常偏高，这个转换速度用已知的三种中微子理论无法解释。随后费米实验室的MiniBooNE实验在2000年代也观察到类似的怪异信号，进一步加深了这个谜团。
困扰物理学数十年的谜团终于解开，物理学家们排除了惰性中微子的可能性，为关于宇宙的大胆新理论铺平了道路。图片来源：Shutterstock
物理学家们提出了一个大胆的假说：也许存在第四种中微子，一种完全不参与弱相互作用的"惰性中微子"。它们就像隐形人一样游走在宇宙中，只通过引力和偶尔与普通中微子的混合来显露踪迹。如果这个假说成立，将是标准模型之外新物理的重大突破，甚至可能帮助解释暗物质之谜。
为了验证这个理论，费米实验室在2015年启动了MicroBooNE实验。这个装有170吨液态氩的巨型探测器就像一台超高分辨率的粒子照相机，能够以前所未有的精度捕捉中微子与原子核碰撞的瞬间。加州大学圣巴巴拉分校的助理教授大卫·卡拉泰利解释说，他们将探测器放置在最佳位置，如果惰性中微子真的存在，从μ子中微子到电子中微子的额外转换应该清晰可见。
从2015年到2021年，MicroBooNE记录了来自两个不同粒子束的数百万次中微子事件。研究团队仔细比较了观测到的电子中微子数量与理论预测值，结果显示两者完全吻合。没有任何多余的电子中微子信号，凤凰彩票app没有任何惰性中微子留下的指纹。
旧门关闭，新窗打开
这个否定性结果并非坏消息。曼彻斯特大学教授、MicroBooNE联合发言人贾斯汀·埃文斯表示，排除错误的理论恰恰是科学进步的必经之路。
现在的关键问题是：如果惰性中微子不存在，那么LSND和MiniBooNE观测到的异常信号来自何处？一种可能是这些早期实验存在系统误差，某些高能光子被错误地识别为电子中微子信号。加州大学圣巴巴拉分校的罗晓教授最近发表了初步分析，探讨这种可能性。另一种更激动人心的可能是，这些信号指向了完全不同的新物理现象。
物理学家们现在正在探索更广泛的理论框架。卡拉泰利提到，这是该领域的一次范式转变，研究者们不再把所有希望寄托在单一假说上，而是开始考察各种可能性，包括非标准的中微子相互作用、新型粒子或者更奇特的暗物质候选者。
MicroBooNE的技术遗产同样重要。这个实验完善了液态氩时间投影室技术，这种探测方法能够以三维方式重建粒子轨迹，就像给粒子碰撞拍摄高清慢动作视频。这些经验正在被转移到更大规模的项目中，特别是即将启动的深地中微子实验。
下一代超级探测器
DUNE项目的规模令人震撼。这个位于南达科他州地下一英里深处的探测器体积相当于一个足球场，是MicroBooNE的数十倍。它将接收从800英里外费米实验室发射的高强度中微子束，这些中微子将穿透整个地球到达探测器。
DUNE的科学目标远超惰性中微子搜寻。它将精密测量中微子振荡参数，探索中微子与反中微子行为的细微差异，这种差异可能解释为什么宇宙中物质比反物质多。它还将监测来自超新星爆发和太阳的中微子，甚至可能捕捉到质子衰变的罕见事件。
卡拉泰利强调，MicroBooNE的最大贡献之一是为DUNE铺平了道路。从探测器建造、数据分析到信号识别，MicroBooNE团队积累的技术经验将直接应用于这个下一代超级实验。按照计划，DUNE将在2030年代初开始接收中微子束流，届时将开启中微子物理研究的新纪元。
一扇门关闭了，但更多的窗户正在打开。惰性中微子的故事告诉我们，科学探索从来不是一条笔直的道路，每一次否定都在为更深刻的理解清除障碍。
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