科学探索|神秘“暗区”能否解释令人困惑的中微子谜题？( 四 ) 神秘“暗区”能否解释令人困

马尔托尼的演讲给中微子理论家们敲响了警钟，他们需要一些新的想法。“前进的道路走不通了，”阿奎勒斯-德尔加多又说回了博尔赫斯的比喻，“那现在我们该该往哪里走呢？”
他和同行们开始重新审视惰性中微子理论的基础假设。“在物理学中，我们总是会用到这样的奥卡姆剃刀方法，对吧？我们从最简单的假设开始，在这里就是一种新粒子，但除了振荡行为之外什么都不做，”他说，“这可能是一个愚蠢的假设。”
暗区
过去三年中，中微子物理学家们正越来越多地考虑增加多个中微子的可能性，这些中微子可能通过它们自身的神秘力量相互作用。这个由不可见粒子组成的“暗区”（dark sector）可能有着复杂的相互关系，类似（但独立于）电子、夸克和其他标准模型粒子的相互关系。加拿大滑铁卢圆周理论物理研究所的理论物理学家马修斯·霍斯特说：“这片暗区非常丰富和复杂，这是完全有可能的。”
在模型中加入神秘的力可以抑制早期宇宙中产生的中微子数量，从而避免普朗克望远镜的观测结果所提出的挑战。与此同时，一个具有如此多特征的暗区，也可以填补我们理解中的许多漏洞。自从20世纪90年代发现中微子具有质量以来，理论物理学家们一直在想，中微子是否可以解释暗物质——这种不可见的物质似乎充满了各个星系。他们很快得出结论，三种已知的中微子都不具有足够的质量，但如果存在一个更大的中微子家族——包括一些较重的中微子——那或许就能用来解释暗物质。
一个无形但丰富的暗区？这样的想法并不新鲜，但在这些模型中，中微子的种类数量却变得越来越多。这项研究将暗物质和中微子异常的不同问题放到了同一个范畴之内。阿奎勒斯-德尔加多说：“这是一种趋同。”
一个丰富、复杂的暗区有助于解释为什么今天的宇宙似乎膨胀得比预期的更快——这种现象被称为“哈勃张力”——以及如果暗物质由单一的惰性粒子组成的话，为什么星系的聚集程度没有预想的那么高。美国普林斯顿大学的天体物理学家克里斯蒂娜·克瑞施说：“改变暗物质的物理性质，的确会对这样的宇宙张力产生影响。”
这些模型与旧的观点产生了共鸣。例如，早在几十年前就有人提出假设，认为存在一些非常重的中微子，可以解释三种已知中微子的令人困惑的微小质量（在“跷跷板机制”中，已知的轻中微子和重中微子的质量可能呈反比关系）。大爆炸后重中微子的衰变被认为是今天宇宙中物质比反物质多得多的可能原因。“很多人，包括我自己在内，都在研究这种联系，”约阿希姆·柯普说道。
今年早些时候，阿奎勒斯-德尔加多、康拉德和几位合作者提出了一个暗区模型，包含了三种不同质量的重中微子。他们的研究结果很快就将发表在《物理评论D》（Physical Review D）上。该模型通过调和一种重中微子的衰变与一种轻中微子的振荡，解释了LSND和MiniBooNE的数据；与此同时，该模型也为解释中微子质量的起源、宇宙中物质-反物质的不对称，以及暗物质留下了空间。
追逐异常的研究者们在设计这个新模型时，考虑到了MiniBooNE实验的一个缺陷：它无法区分电中微子产生的信号和某些粒子衰变所产生的信号。这就引出了一种可能性：除了轻中微子会在不同类型之间振荡外，重中微子也可能在探测器的内部衰变，这就解释了探测器为什么会获得丰富的信号。
全新的实验结果支持了这一模型。费米实验室的MicroBooNE实验是MiniBooNE实验的后续，经过了重新配置以纠正缺陷。该实验的结果即将发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，表明惰性中微子本身并不能解释MiniBooNE的异常现象。实验结果可能暗示着这样一种可能性，即只有一半的MiniBooNE事件是由中微子振荡引起的。MicroBooNE团队最近的报告称，我们熟悉的标准模型粒子的衰变几乎肯定不能解释剩余的事件。MicroBooNE实验明年将开始下一个版本的实验，届时或许就能确定探测器内部暗区的重粒子衰变的可能性。