科学探索|神秘“暗区”能否解释令人困惑的中微子谜题？神秘“暗区”能否解释令人困

多年来，对中微子的测量结果相互矛盾使一些物理学家提出，宇宙中存在一个充斥着不可见粒子的“暗区”，可以同时解释暗物质、宇宙膨胀和其他令人困惑的谜团。1993年，在美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室的地下深处，一辆公共汽车大小的油罐内出现了几道亮光，由此开启了一个引人入胜的探索故事。只不过，这个故事至今尚无定论。
许多中微子物理学家觉得自己就像在迷宫中前行，不确定要往哪里走，也不知道哪条线索可能会把他们引入歧途

当时，科学家正利用液体闪烁体中微子探测器（LSND）来寻找由中微子产生的辐射爆发。在所有已知的基本粒子中，中微子是最轻也最难以捉摸的。该实验的领导者之一比尔·路易斯说：“我们看到了想要看到的结果，但这也让我们十分惊讶。”
问题是，他们看到的实在太多了。理论物理学家假设，中微子在飞行过程中可能会在不同类型——称为不同的“味”——之间振荡。这一假设解释了目前的许多天文观测结果。LSND对该假设进行了检验，将一束μ中微子（已知三种中微子之一）对准油罐，计算到达油罐里的电中微子的数量。然而，路易斯的团队检测到的电中微子数量要比中微子振荡理论所预测的多得多。
此后，研究人员又设计了数十个中微子实验，每个实验的规模都比上一个更大。在山脉内部、废弃的采矿洞穴和南极的冰层之下，物理学家们为这些以神秘著称的粒子建起了一座座宏伟的实验设施。然而，当这些实验从各个角度对中微子进行探测时，却不断得出相互矛盾的粒子行为图像。“情况越来越复杂了，”路易斯说道。
“这是一个非常令人困惑的故事。我愿称之为‘小径分岔的花园’，”哈佛大学的中微子物理学家卡洛斯·阿奎勒斯-德尔加多说道。在阿根廷著名作家豪尔赫·路易斯·博尔赫斯 1941年的同名短篇小说中，时间分叉出了无限可能的未来。对于中微子，相互矛盾的结果让理论物理学家感到困惑，他们不确定哪些数据值得信任，哪些数据可能会让他们误入歧途。阿奎勒斯-德尔加多说：“就像任何侦探小说一样，有时你在看到线索后，它们会将你引向错误的方向。”

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1993年，洛斯阿拉莫斯国家实验室的液体闪烁体中微子探测器报告了大量中微子的探测结果，这令人十分困惑。照片中，工程师里克·博尔顿身处光电倍增管之中，一旦罐体中装满矿物油，这些光电倍增管就能探测到罐内中微子相互作用发出的光

对LSND异常现象最简单的解释是，可能存在一种新的中微子，即第四种中微子——惰性中微子。根据新的规则，惰性中微子可以混合所有的中微子类型。它们会让μ中微子在距离油罐较短的距离内更容易振荡成电中微子。
然而，随着时间的推移，研究人员发现惰性中微子的解释与其他实验的结果并不相符。“我们找到了一个冠军理论，但问题是，它在其他地方惨遭失败，”阿奎勒斯-德尔加多说，“我们走进了森林深处，现在需要走出来。”
物理学家被迫追溯之前的实验结果；他们一直在反复思考，试图了解混乱的暗示和不完整的结果背后是什么。近年来，他们设计出了比惰性中微子更为复杂的新理论，但如果这些理论是正确的，那物理学将彻底改变——同时解决中微子振荡数据异常和其他物理学重大谜团。尤其重要的是，新模型假定额外的较重中微子可以解释暗物质。目前，我们还没有观测到隐藏在星系之中的暗物质。据估计，暗物质在宇宙构成中所占的比例是常规物质的4倍以上。