幽灵粒子的故事终于有了答案,只是这个答案让物理学家们既失望又兴奋。经过长达六年的数据采集和精密分析,微型增强子中微子实验的研究团队在2025年12月的《自然》杂志上宣布,曾经被寄予厚望的第四种中微子,也就是所谓的惰性中微子,并不存在。这个结论为持续三十年的中微子异常现象画上了句号,也为下一代探测器指明了新的方向。

　　加州大学圣巴巴拉分校助理物理学教授大卫·卡拉泰利在担任该实验物理协调员期间主导了这项分析。他表示,中微子是难以捉摸的基本粒子,很难通过实验探测到,但却是宇宙中最丰富的粒子之一。这次测量结果不支持惰性中微子存在的观点,数据与这种粒子不符。

　　这一结论的意义远超表面。推翻这个长期假设有助于更精准地寻找其他奇异粒子,也为即将启动的深地中微子实验等大型项目提供了宝贵指导。美国能源部科学办公室和国家科学基金会为这项研究提供了部分资金支持。

从发现质量到寻找第四种味

　　故事要从标准模型说起。这个描述构成宇宙的粒子和力的理论框架在许多方面表现出色,它的大多数预测都得到了实验证实。但是,费米实验室高级科学家、MicroBooNE联合发言人马修·图普斯指出,标准模型并不完整,它无法解释暗物质、暗能量或引力。

　　中微子领域就体现了理解上的一个空白。最初的标准模型预测中微子没有质量。但20世纪后半叶的一系列实验测量来自外太空的中微子时,发现了奇怪的现象。某些中微子的味,即电子味、μ子味和τ子味中的某一种,会在传播过程中消失。科学家由此得出结论,这些粒子会在不同的味之间振荡,并在传播过程中改变自身性质。

　　一项高精度中微子实验取得了一项决定性成果，挑战了此前研究中发现的神秘信号的长期解释。通过仔细剖析中微子在传播过程中的转变，研究人员缩小了可行理论的范围，并为新的研究阶段奠定了基础。图片来源：Stock

　　卡拉泰利解释说,这种振荡只有在中微子具有质量的情况下才会发生,而这是标准模型无法预测的。2015年的诺贝尔物理学奖就授予了发现中微子振荡现象的科学家,表彰他们揭示了中微子具有质量这一事实。

　　谜团在20世纪90年代进一步加深。洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁中微子探测器在1996年报告了令人困惑的结果,他们观察到88个超出预期的电子中微子事件,置信度达到3.8个标准偏差。这个异常现象暗示μ子中微子振荡成了电子中微子,而在只有三种中微子的情况下,这是不可能的。

　　2002年启动、运行至2017年的MiniBooNE实验在费米实验室进一步研究这一振荡,同样观察到了显著的电子中微子过量。曼彻斯特大学教授、MiniBooNE联合发言人贾斯汀·埃文斯表示,过去三十年来,对这些异常现象最流行的解释是假设存在一种惰性中微子。

液氩探测器的决定性测量

　　与已知的三个通过电弱力与带电轻子耦合的中微子不同,这个假想的第四个中微子不会通过弱力与其他粒子相互作用,因此被称为惰性中微子。为了验证这个假设,费米实验室建造了更灵敏的MicroBooNE探测器,它能以更高的分辨率观测这些看似异常的振荡。

　　MicroBooNE采用液氩时间投影室技术,这是一种高度灵敏的粒子探测器。从2015年到2021年,该合作组在费米实验室园区收集了两束中微子束的数据。这些束流将中微子导向充满液氩的探测腔,研究人员能够观察中微子与腔室内液氩相互作用的情况。

　　卡拉泰利描述了实验的逻辑,他们制造μ子中微子,并将探测器放置在最佳位置,以便最大限度地提高发现惰性中微子的概率。如果惰性中微子真的存在,他们就会观测到电子中微子的出现。他们测量了到达探测器的电子中微子数量,并将数据与存在惰性中微子时的探测率以及不存在惰性中微子的预测值进行比较。

　　结果清晰而明确。他们观测到的现象与不存在向惰性中微子振荡的情况相符,因此排除了这种假想粒子的存在。此前在2025年夏季,该团队还在《物理评论快报》上发表研究,排除了电子中微子过量的可能性。

新假说与未来探索

　　卡拉泰利认为,这对研究团队来说是一个范式转变。在排除了已有约三十年历史的惰性中微子假说之后,研究人员期待着探索更广泛的理论领域,这些理论或许能够解释异常现象,并更广泛地解决粒子物理学中的未解之谜,包括揭示暗物质的本质。

　　目前的一个研究方向是探究光子是否是造成这些异常现象的原因。这些光子可能来自模型错误的背景,或者来自其他新的物理解释。加州大学圣巴巴拉分校物理学教授、MicroBooNE项目合作者罗晓近期发表了一项初步分析,开始研究这一新假设。

　　费米实验室的短基线中微子计划在未来几年内将对这些问题进行更深入的研究。该计划包括多个探测器,能够从不同角度观测同一束中微子,从而更好地区分信号和背景噪音。

　　更大的机遇在地下一英里深处等待着。深地中微子实验正在南达科他州桑福德地下研究设施建设中,建成后将成为同类探测器中规模最大的。卡拉泰利形象地比较说,MicroBooNE有一辆校车那么大,但DUNE的规模相当于一个足球场。

　　DUNE将接收来自800英里外费米实验室穿过地下发射的世界上最强的高能中微子束。它的灵敏度、精度以及将产生的数据量,不仅能让科学家深入了解中微子振荡,还能帮助解开其他物理谜团,例如宇宙中物质为何多于反物质。

　　卡拉泰利强调,MicroBooNE的关键作用之一是增强了对液氩时间投影室技术的信心,并教会研究人员如何利用这项技术高精度地测量中微子。在MicroBooNE中学到的数据分析方法完全可以直接应用于DUNE。

　　惰性中微子的故事告诉我们,科学进步有时意味着排除错误的假设。虽然这个假想粒子不存在,但三十年的追捕过程推动了探测技术的飞跃发展,也为未来的发现铺平了道路。中微子的秘密依然等待揭晓,只是答案可能藏在与我们预期完全不同的地方。