惰性中微子是否存在？這是粒子物理中最緊迫的問題之一。
10月7日，大亞灣中微子實驗與Main Injector Neutrino Oscillation Search（簡稱MINOS）實驗兩個大的國際合作組聯(lián)合發(fā)表論文（Phys.Rev.Lett.117.151801），進(jìn)一步排除了惰性中微子存在的空間。
上世紀(jì)九十年代，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Liquid Scintillator Neutrino Detector（簡稱LSND)實驗在研究中微子振蕩時發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子存在的跡象，它不屬于我們熟知的三種類型——電子中微子、繆中微子、或陶中微子。LSND實驗公布了繆中微子振蕩到電子中微子的證據(jù)，但振蕩的頻率比2015年獲諾貝爾獎的超級神岡實驗發(fā)現(xiàn)的要快得多。振蕩的頻率正比于兩種中微子質(zhì)量的平方差。如果LSND的結(jié)果是對的，唯一的解釋是存在第4種中微子，同時這種中微子必須比所有其它粒子奇怪得多——我們稱之為“惰性”，即它除了引力外，不與其它物質(zhì)發(fā)生任何相互作用。假定惰性中微子存在，也能解釋天體物理和宇宙學(xué)中存在的一些困惑。
過去二十年中，不少實驗試圖證實或否定LSND的發(fā)現(xiàn)，但未能得出明確結(jié)論。大亞灣和MINOS實驗新發(fā)布的結(jié)果，表明無法用惰性中微子來解釋LSND的結(jié)果。
MINOS實驗從芝加哥附近的費米實驗室發(fā)射繆中微子，在735公里外明尼蘇達(dá)州北部的蘇丹地下實驗室來探測。此前，MINOS已對中微子在長距離飛行中發(fā)生的振蕩做出了高精度測量。如果存在惰性中微子，部分繆中微子將會消失得更快，而科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這種情況并沒有發(fā)生（Phys.Rev.Lett.117.151803）。大亞灣實驗位于中國廣東省，測量從鄰近核反應(yīng)堆飛出的電子反中微子。大亞灣實驗觀察到了反應(yīng)堆中微子的丟失，首次測量了相關(guān)的中微子振蕩參數(shù)，以此獲得了2016年基礎(chǔ)物理學(xué)突破獎。惰性中微子也將影響大亞灣的測量，可能在中微子能譜上形成有規(guī)律的波動，大亞灣的科學(xué)家也沒有發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象（Phys.Rev.Lett.117.151802）。
不過，來自大亞灣和MINOS的結(jié)果都不足以解決二十年來LSND實驗留下的困惑，同時研究不同類型的中微子將給出更強(qiáng)的限制。LSND實驗觀察到的是繆型反中微子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮有头粗形⒆?，因此，大亞灣實驗?span>MINOS實驗聯(lián)合起來，同時研究這兩種類型的中微子。兩個大型中微子實驗的緊密協(xié)作是比較少見的，但成果很顯著，很有力地排除了絕大部分用惰性中微子振蕩來解釋LSND結(jié)果的物理模型。
聯(lián)合分析結(jié)果也大幅縮小了輕惰性中微子隱藏的空間。該論文被精選為《物理評論快報》編輯推薦，與大亞灣和MINOS各自搜尋惰性中微子的論文發(fā)表在同一期雜志上。大亞灣與MINOS實驗正在繼續(xù)分析數(shù)據(jù)，有望給出更靈敏的結(jié)果。
實驗數(shù)據(jù)圖
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