位於美國費米國家加速器實驗室的一個巴士大小的中微子探測器,對以往涉及「無粒子中微子」的實驗異常進行了調查。根據一個模型,該探測器不支持「無粒子中微子」的存在,儘管仍保留進一步調查的可能性。「無粒子中微子」是理論上存在的右手型輕子,據信僅與重力互動。它們被認為是中微子的第四種類型,除了已知的活躍中微子(電子、緲子和陶子),這三種中微子能夠與弱作用力互動。
儘管「無粒子中微子」從未被探測到,但科學家們提出這一概念是為了解釋之前實驗中發現的異常現象,並為中微子的質量提供基礎,甚至用於解釋宇宙中的暗物質。然而,在對之前實驗的數據進行多年調查後,費米國家加速器實驗室的 MicroBooNE 項目以 95% 的確定性排除了「無粒子中微子」的存在。
科學家們通過將中微子通過閃爍液體並記錄其互動來研究中微子。這些記錄用於重建中微子的路徑及其互動方式。運用標準模型,科學家計算預期的粒子數量,並利用觀察到的數量與預期數量之間的差異來確定「無粒子中微子」是否存在。以往的中微子研究多次發現數據不一致的情況。1995 年,洛斯阿拉莫斯國家實驗室的液體閃爍中微子探測器發現了電子反中微子的過量。多年後,另一個名為 MiniBooNE 的項目發現了電子中微子的過量。之後,俄羅斯的 Baksan 實驗在「無粒子轉變」(BEST) 中使用 50 噸的液態鎵罐來發現了德國的缺口,科學家將其歸因於電子中微子與鎵的互動。然而,「無粒子中微子」依然難以捉摸。
MicroBooNE 項目是 MiniBooNE 的後續項目,由兩條光束線組成,將中微子送至其探測器。第一條光束線,主加速器中的中微子光束線 (NuMI),長 680 米;第二條,增強中微子光束 (BNB),長 470 米。這兩條光束線提供不同的能量範圍,因此在探測器中記錄了不同的互動情況。在研究這些不同光束線的互動記錄時,研究人員注意到 BNB 光束線中的電子中微子出現了缺口,而 NuMI 光束線則沒有顯示缺口。
MicroBooNE 團隊的物理學家 Sowjanya Gollapinni 在新聞稿中表示:「這項首創的雙光束測量結果顯著限制了無粒子中微子可能存在的參數空間。」研究人員認為,中微子可能會振蕩成多於一種中微子,或者可能還有其他尚未完全理解的物理現象在起作用。為了解決這一問題,研究人員希望未來的探測器項目,例如短基線中微子計劃和深地下中微子實驗中的 110 米和 600 米雙液態氩探測器,能夠協助揭開這一謎團。
MicroBooNE 的新結果被認為是尋找多個異常起源的重要進展。項目中的振蕩物理學小組共同召集人 Erin Yandel 表示:「MicroBooNE 的結果為中微子物理提供了一種新的工具,其他實驗可以在這一仍然重要且激動人心的科學挑戰中使用。」研究結果已發表於《自然》期刊。




