美国能源部费米国家加速器实验室的 MicroBooNE 实验的新结果对一种被称为惰性中微子的理论粒子造成了打击。二十多年来，这个提议的第四中微子一直是早期物理实验中发现的异常现象的一个有希望的解释。发现一个新粒子将是一项重大发现，也是我们对宇宙理解的根本转变。

然而，由国际 MicroBooNE 合作发布并在今天的研讨会上展示的四项补充分析都表明了同样的事情：没有惰性中微子的迹象。相反，结果与粒子物理学标准模型一致，这是科学家关于宇宙如何运作的最佳理论。数据与标准模型的预测一致：三种中微子——不多也不少。

“MicroBooNE 通过多种类型的交互、多种分析和重建技术进行了非常全面的探索，”耶鲁大学物理学教授兼 MicroBooNE 联合发言人 Bonnie Fleming 说。“他们都告诉我们同样的事情，这让我们对我们的结果非常有信心，因为我们没有看到任何无菌中微子的迹象。”

MicroBooNE 是一个 170 吨的中微子探测器，大小与校车差不多，自 2015 年开始运营。该国际实验有来自五个国家的 36 个机构的近 200 名合作者。他们使用尖端技术记录中微子事件的极其精确的 3D 图像，并详细检查粒子相互作用——这是对亚原子世界急需的探索。

中微子是自然界的基本粒子之一。它们是中性的，极其微小，是我们宇宙中质量最丰富的粒子——尽管它们很少与其他物质相互作用。它们对物理学家来说也特别有趣，围绕着它们有许多悬而未决的问题。这些谜团包括为什么它们的质量如此之小，以及它们是否是我们宇宙中物质对反物质的主导地位的原因。这使得中微子成为探索宇宙如何在最小尺度上运作的独特窗口。

MicroBooNE 的新结果是中微子研究的一个激动人心的转折点。随着惰性中微子作为中微子数据中发现的异常现象的解释进一步不受欢迎，科学家们正在研究其他可能性。其中包括像中微子碰撞期间其他过程产生的光这样有趣的事物，或者像暗物质那样奇异的事物、与希格斯玻色子相关的无法解释的物理学，或其他超出标准模型的物理学。

无菌中微子的初步迹象

中微子有三种已知类型——电子中微子、μ子中微子和 tau 中微子——并且可以在它们行进时以特定方式在这些类型之间切换。这种现象被称为“中微子振荡”。科学家可以利用他们对振荡的了解来预测在距源不同距离处测量中微子时，他们希望看到多少种中微子。

中微子由许多来源产生，包括太阳、大气、核反应堆和粒子加速器。从大约二十年前开始，来自两个粒子束实验的数据让研究人员陷入了困境。

在 1990 年代，洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器实验发现了比预期更多的粒子相互作用。2002 年，费米实验室的后续 MiniBooNE 实验开始收集数据以更详细地研究 LSND 结果。

MiniBooNE 科学家还看到了比计算预测更多的粒子事件。在这些奇怪的中微子束结果之后，有报告称从放射源和反应堆中微子实验中丢失了电子中微子。

无菌中微子成为解释这些奇怪结果的热门候选者。虽然中微子已经很难探测到，但提议的惰性中微子将更加难以捉摸，只对重力作出反应。但是因为中微子在不同类型之间穿梭，一个无菌中微子可能会影响中微子振荡的方式，在数据中留下它的特征。

但是研究自然界中最小的事物并不简单。科学家从未直接看到中微子;相反，他们在探测器内看到中微子撞击原子时出现的粒子。

MiniBooNE 探测器有一个特别的限制：它无法分辨出靠近中微子相互作用位置的电子和光子(光粒子)之间的区别。这种模糊性描绘了碰撞产生的粒子的混乱画面。你可以把它想象成有一盒巧克力——MiniBooNE 可以告诉你里面有十多块巧克力，但 MicroBooNE 可以告诉你哪些是杏仁，哪些是焦糖。

如果 MiniBooNE 真的看到比预期更多的电子，这将表明导致相互作用的额外电子中微子。这意味着在研究人员没有考虑到的振荡中发生了一些意想不到的事情：惰性中微子。但是，如果光子导致过量，它可能是一个背景过程，而不是疯狂的振荡和一个新粒子。

很明显，研究人员需要更细致的检测器。2007 年，MicroBooNE 的想法诞生了。

MicroBooNE：精密探测器

MicroBooNE 探测器建立在最先进的技术和技术之上。它使用特殊的光传感器和 8000 多根精心连接的电线来捕捉粒子轨迹。它装在一个 40 英尺长的圆柱形容器中，里面装满了 170 吨纯液态氩。中微子撞击致密、透明的液体，释放出电子设备可以记录的额外粒子。由此产生的图片显示了详细的粒子路径，并且至关重要的是，区分了电子和光子。

MicroBooNE 的前三年数据显示没有过量的电子——但它们也显示没有来自背景过程的过量光子，这可能表明 MiniBooNE 的数据存在错误。

“我们没有看到我们对类似 MiniBooNE 的信号的预期，既没有看到电子，也没有看到最有可能的光子嫌疑人，”费米实验室科学家 Sam Zeller 说，他曾担任 MicroBooNE 联合发言人八年。“但 MiniBooNE 的早期数据不会撒谎。有一些非常有趣的事情发生了，我们仍然需要解释。”

MicroBooNE 以 95% 的置信度排除了导致 MiniBooNE 过量事件的最可能的光子来源，并以超过 99% 的置信度排除了电子作为唯一来源，并且还有更多。

MicroBooNE 仍有一半的数据需要分析，还有更多的方法需要分析。探测器的粒度使研究人员能够观察特定种类的粒子相互作用。虽然该团队从 MiniBooNE 过剩的最可能原因开始，但还有其他渠道需要研究——例如电子和正电子的出现，或包括光子在内的不同结果。

“能够详细查看这些不同的事件结果是我们探测器的真正优势，”泽勒说。“数据正在引导我们远离可能的解释，并指向更复杂和有趣的东西，这真的很令人兴奋。”

虽然第一次分析关注的是惰性中微子，但额外的分析可以提供更多关于奇异解释的信息，包括暗物质、轴子状粒子、假设的 Z 素玻色子等。它甚至有可能仍然是一个无菌中微子，以更意想不到的方式隐藏。

未来的中微子探索

中微子被谜团包围。较早的 MiniBooNE 和 LSND 实验看到的异常数据仍然需要解释。中微子振荡现象和中微子具有质量的事实也是如此，标准模型无法预测这两种情况。还有一些诱人的暗示，中微子可以帮助解释为什么宇宙中有这么多物质，而不是一个充满反物质或什么都没有的宇宙。

MicroBooNE 是一套寻找答案的中微子实验之一。至关重要的是，它也是液氩技术的长期试验台，将用于即将推出的探测器。

“我们已经构建并测试了硬件，我们还开发了基础设施来处理我们庞大的数据集，”曼彻斯特大学的科学家兼 MicroBooNE 联合发言人贾斯汀·埃文斯 (Justin Evans) 说。“这包括模拟、校准、重建算法、分析策略和通过机器学习等技术实现的自动化。这项基础工作对于未来的实验至关重要。”

液态氩是 ICARUS 探测器的首选材料，即将开始收集物理数据，短基线近探测器将于 2023 年上线。这三个实验与 MicroBooNE 一起构成了费米实验室的短基线中微子计划，并将产生一个丰富的中微子数据。例如，在一个月内，SBND 将记录的数据比 MicroBooNE 两年收集的数据还多。今天来自 MicroBooNE 的结果将有助于指导三人组广泛产品组合中的一些研究。

“每次我们观察中微子时，我们似乎都会发现一些新的或意想不到的东西，”埃文斯说。“MicroBooNE 的结果将我们带向了一个新的方向，我们的中微子计划将揭开其中的一些谜团。”

液氩也将用于深地下中微子实验，这是费米实验室主办的国际旗舰实验，已有来自 30 多个国家的 1000 多名研究人员参与。DUNE 将通过地球将中微子发送到 800 英里深的桑福德地下研究设施的探测器来研究振荡。短距离和长距离中微子实验的结合将使研究人员深入了解这些基本粒子的工作原理。

Fleming 说：“我们在物理学中有一些重大的、未解决的问题，许多实验都试图解决这些问题。” “而中微子可能会告诉我们在哪里可以找到其中的一些答案。我认为如果你想了解宇宙是如何运作的，你必须了解中微子。”