物理學家可能發現了一種新的基本粒子，或將改變物理學

07-05

費米國家加速器實驗室一項中微子實驗的新報告讓物理學家感到既興奮又困惑。迷你升能器中微子實驗（MiniBooNE）探測到一種特殊中微子比預期的要多得多，這一發現可由一個新基本粒子的存在來解釋，這種基本粒子是一種比已知的三種中微子更奇怪、更隱蔽的惰性中微子。這一結果似乎證實了一項數十年實驗的反常結果，MiniBooNE是專門用來進行複核該結果的。

卡耐基梅隆大學的物理學家Scott Dodelson表示，中微子的異常存留是非常令人興奮的。這表明確實發生了一些事情。至於是什麼事情，沒人知道。

惰性中微子的存在將徹底改變物理學。它將最終打破自20世紀70年代以來粒子物理學統治的標準模型。Dodelson表示，它還要求產生有一個新的宇宙學標準模型，原來標準模型中有其他潛在缺陷。該中微子悖論可以指引我們構造一個新的更好的模型。

中微子是一種微小的粒子，它們以每秒數十億的速度穿過我們的身體，但很少相互作用。它們經常在三種已知中微子類型，或稱「味」，即電子，μ子和T子之間不斷振蕩。MiniBooNE的實驗將一束μ子中微子射向一個巨大的油罐。在去往油罐的路上，一些μ子中微子應該以質量差異決定的速率轉變成電子中微子。然後，MiniBooNE會監測電子中微子的到來。電子中微子與石油分子相互作用時，會產生特有的輻射。MiniBooNE運行了15年，已經比預期多記錄了幾百個電子中微子。

對這個驚人的大數目最簡單的解釋是，一些μ子中微子正振蕩成一個不同的，更重的，第四種中微子—一種惰性中微子，這意味著它永遠不會與非中微子的物質相互作用，而且一些重的惰性中微子之後則會振蕩成電子中微子。更大的質量差異決定了更高的振蕩頻率和更多的探測數目。

洛斯阿拉莫斯的液態閃爍體中微子探測器（LSND）在20世紀90年代發現了類似的異常現象，促使MiniBooNE的產生。然而，其他與LSND和MiniBooNE運作方式不同的中微子實驗卻未能產生一個明顯跡象可表明存在著惰性中微子。德國海德爾堡的馬克斯·普朗克核物理研究所的Werner Rodejohann表示，這是物理學的一種詛咒，一些實驗做出的發現，其他實驗卻驗證不了。

如果惰性中微子確實解釋了新的結果，那麼物理學家們難以理解這些新粒子的特性如何與我們所知道的其他一切相符合。也許最令人不安的是，對早期宇宙光的觀測表明，當時只有三種中微子存在。Slosar表示，為了弄懂迄今為止LSND，MiniBooNE和所有其他實驗，我們需要某種全新的理論框架。

此外，假設符合MiniBooNE數據的這種特殊惰性中微子並不能解決任何可引導物理學家首先對這些粒子進行理論化的奧秘。如果足夠重的話，惰性中微子就可以被看作似乎吞噬星系的不可見的「暗物質」。那麼科學家會通過一種蹺蹺板機制的數學技巧來解釋為什麼電子，μ子和T子中微子如此輕。但是在小於1電子伏的情況下，假定的MiniBooNE惰性中微子缺乏進行其他目的的重量。羅格斯大學的粒子物理學家Matthew Buckley表示，他們沒有理由期望1電子伏的惰性中微子，但並不是說這阻止了對早期的宇宙增加新的粒子。

這種困惑已經導致許多專家從樂觀轉為悲觀，並懷疑MiniBooNE和LSND都是一些未知錯誤的犧牲品。布魯塞爾自由大學的物理學家Freya Blekman認為，這些實驗可能系統地低估了在MiniBooNE的油罐中中性介子的衰變速率，即模擬電子中微子發出信號的事件。

紐約大學理論物理學家Neal Weiner表示，很明顯，這裡存在一些需要理解的東西，他非常希望是第四個中微子。也就是說，這是第一個發現超出了標準模型的粒子，所以它的證據門檻顯然很高。他正在採取一種觀望的態度。

未來的實驗將會給出一個更明確的答案。它不會在光束的末端計算電子中微子的數量，而是觀察它們穿行時在不同味之間來回擺動的中微子，這將使我們更全面地了解振蕩的情況。