惰性中微子：十年追寻终成空

中微子探测器依赖于光电倍增管，例如这个来自 Miniboone 实验的管子。

中微子的影响力几乎是所有粒子中最小的。它们基本上没有质量感，没有电荷，也没有“色”荷。因此，中微子与自然界的大多数力都没有联系；它可以穿透整个行星和恒星，而不会撞击到任何一个原子。

但是，事实证明，中微子完全有能力改变一位科学家的生活轨迹。

在 20 世纪 90 年代末，当物理学家意外发现中微子具有质量时，Thierry Lasserre 放弃了宇宙学，全力投入到这些粒子的研究中。“这太令人兴奋了，我简直无法抗拒，”现在是德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所物理学家的 Lasserre 说道。Mark Ross-Lonergan 原本打算成为一名气象学家，直到 2010 年一次偶然接触到粒子物理学，促使他改变了研究领域。Lasserre 和 Ross-Lonergan 与成千上万的其他科学家一样，将他们的职业生涯奉献给了研究这个微小且几乎完全呈惰性的微粒。

十多年来，他们的调查似乎越来越接近突破。实验报告了中微子出现和消失的奇怪现象。这些结果，加上中微子神秘的质量，都指向了一个潜在的解释：一种特定质量、特定“惰性”（sterile）类型的中微子，似乎在幕后潜伏着未被发现。

研究人员花了数年时间进行越来越复杂的实验，以锁定这个“闯入者”。然而，面对越来越多无发现（null results）的结果，特别是在 2025 年底发表的研究中，现在大多数物理学家都同意这种惰性中微子并不存在。“在我看来，这敲响了惰性中微子的丧钟，”哥伦比亚大学物理学家、最新研究之一的合著者 Ross-Lonergan 说道。

这些进展只是加深了中微子的神秘感。它们在某些实验中出现而在另一些实验中消失的明显能力仍然无法解释。而它们拥有质量这一事实，在本质上要求它们与现实中某些未被发现的层面必定存在着联系。对物理学家来说，这种粒子的影响力依然丝毫不减。

“我们需要学会如何发挥创造力，”爱荷华大学物理学家 Matheus Hostert 说。“对于这个领域来说，这是一个非常激动人心的时期，特别是对于像我这样需要对所有这些数据提出尖锐问题的理论家来说。”

消失的把戏

物理学家对中微子的一切了解，都是通过那些结果不太吻合的实验得来的。“整个领域都是建立在异常现象（anomalies）的基础之上的，”Ross-Lonergan 说。

沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）在 1930 年首次从放射性衰变的研究中推断出中微子的存在。在这些衰变中，一种元素的原子转化为另一种元素，同时以电子的形式释放其剩余能量。但在某些衰变中，电子并没有带走足够的能量。泡利认为，一定有某种额外的、看不见的粒子将剩余的能量“走私”到了世界上。这种被他称为“小中性子”（little neutral one）的粒子，没有电荷也没有质量。它只能通过弱力（weak force）与我们世界中的原子发生相互作用，而弱力通过将某些亚原子粒子转化为其他粒子，使得放射性衰变成为可能。

沃尔夫冈·泡利最初从放射性衰变中缺失的能量中直觉到了中微子的存在。CERN 供图。

然而，弱力是如此之弱，以至于中微子可以穿透几光年厚的铅而不会改变任何一个原子。泡利曾打赌一箱香槟，说永远没有人能探测到它。但大约 20 年后，巧妙的实验物理学家在南卡罗来纳州的萨凡纳河（Savannah River Site）核电站捕捉到了中微子确凿无误的迹象。

不久之后，物理学家们开始集思广益，思考他们能从这些几乎隐形的弱力转换使者身上学到什么。他们将注意力从人造核反应堆转向了天然核反应堆——太阳。

在 20 世纪 60 年代末，小雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr.）在地下近一英里的矿井中监督安装了一个 10 万加仑的干洗液罐，他计划在那里研究太阳中微子。实验的共同领导者约翰·巴考尔（John Bahcall）计算了该实验应该探测到的中微子数量。但该设备捕捉到的中微子数量只有巴考尔预测数量的三分之一。要么是太阳的表现低于预期，要么就是中微子失踪了。

这个异常现象花了 30 年才得到解决。但当解决方案最终通过日本的超级神冈探测器（Super-Kamiokande）和加拿大的萨德伯里中微子天文台（SNO）实验浮出水面时，它抛出了一个重磅炸弹。

20 世纪 60 年代末放置在南达科他州利德市（Lead）附近的霍姆斯特克金矿（Homestake Gold Mine）中的巨大中微子探测器，首次捕捉到了中微子在行进中从一种形态振荡到另一种形态的线索。桑福德地下研究设施（Sanford Underground Research Facility）供图。

中微子消失的原因是它们改变了形态。中微子分为三种类型，分别被称为电子中微子、μ（缪）子中微子和 τ（陶）子中微子。而超级神冈和 SNO 表明，在戴维斯实验中可见的一种中微子，正在“振荡”成戴维斯实验无法看到的另一种中微子。这一发现是一个重大转折，因为根据标准模型——解释所有已知粒子的所有已知行为的剧本——中微子振荡是不被允许的。只有当这三种类型的质量互不相同时，振荡才可能发生。但人们一直认为所有中微子的质量都是完全相同的：也就是零。

这是因为标准模型将粒子描述为在空间量子场中传播的涟漪，而将有质量的粒子描述为在两个场中传播的两个重叠涟漪。存在一种“左手”场，它产生的粒子倾向于向一个方向螺旋运动，而一种“右手”场产生的粒子则倾向于向另一个方向螺旋运动。例如，电子具有质量，因为它是一个左手涟漪与一个右手涟漪相连的结果。但是实验物理学家只看到过左手中微子，因此人们认为该粒子是无质量的——直到超级神冈和 SNO 证明事实并非如此。

因此，20 世纪的异常现象达到了高潮，留下了一个至今未解的悬念：为什么中微子有质量？

众多谜团，一个解释

一个简单的解释是存在第四种中微子，它是右手场中的涟漪，对于迄今为止的实验来说它几乎是完全隐形的。

弱力的一个奇怪特质是它只影响左手场；核衰变后只会出现左手中微子。因此，右手中微子将完全没有任何能够让它们感受到标准模型中各种力的属性。科学家称它们为惰性中微子（sterile neutrinos）。

或者，左手中微子可能被证明有些“左右开弓”（同时具备左右手性），从而能够赋予自身质量。但这种想法以另一种方式打破了标准模型，而最简单的补丁就是增加另一种略显“左右开弓”，但主要呈现右手性的惰性中微子。

一名男子蹲在一个黑色的圆柱形空间内，该空间布满了反光的半球形探测器。

因此，解释中微子质量的两条最简单的逻辑路径指向了同一个地方。“我内心的理论家说，这是一场完美的风暴，很明显惰性中微子存在于某个地方，”Ross-Lonergan 说。

大约在世纪之交，新一代的实验发现了新一代的异常现象。几乎所有的这些异常都可以被解释为存在一种特定类型惰性中微子的线索。

从 1993 年到 1998 年，洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）一个名为液体闪烁体中微子探测器（Liquid Scintillator Neutrino Detector，简称 LSND）的实验，在一束主要由 μ 子中微子组成的粒子束中，观察到了似乎过多的电子中微子。后来，费米实验室（Fermilab）的 Miniboone 实验也看到了同样的现象——电子中微子实在太多了。LSND/Miniboone 异常现象由此诞生。

同样在 20 世纪 90 年代，俄罗斯和意大利的物理学家将高放射源直接放在巨大的镓（一种对中微子特别敏感的液态金属）大桶旁边，以测试这些大桶是否能作为中微子探测器工作。它们能工作，但它们对电子中微子的计数大约低了 20%。这被称为镓异常（gallium anomaly）。一项更精细的实验在 2022 年发现了支持镓异常的进一步证据。

麻省理工学院（MIT）的物理学家 Janet Conrad 从世界各地的中微子实验中收集数据集，并对其进行分析以寻找新粒子的迹象。Kayana Szymczak 为 Quanta Magazine 供图。

2011 年，物理学家发现他们将核反应中应该产生的电子中微子数量低估了几个百分点。这意味着，在过去的几十年里，物理学家每次在核反应堆外放置任何类型的探测器并计算出“正确”数量的中微子时，实际上数量是不够的。这种差异后来被称为反应堆反中微子异常（reactor antineutrino anomaly）。

所有这三个迹象都指向了中微子振荡——中微子又一次在出现和消失。但这并非是在太阳和地球之间数百万英里的距离上缓慢发生的振荡。这一次，中微子似乎变化得足够快，在穿过一个房间的距离内就发生了振荡。

中微子振荡的速度取决于中微子质量之间的差异。这三种已知类型之间的振荡主要在数英里的传播过程中显现出来，因为它们的质量几乎完全相同——接近于零。但在几米范围内发生的振荡，可以用存在第四种质量更大的中微子来解释——这种中微子非常像理论家最初为了解释中微子质量而需要的右手类型。具体来说，一个重约一到两电子伏特（质量和能量的单位）的惰性中微子，似乎把一切都联系了起来。

巴克桑中微子天文台（Baksan Neutrino Observatory）位于俄罗斯高加索山脉深处。它利用镓罐获取了出乎意料的中微子计数，从而引发了对“镓异常”的探讨。

“这些[异常现象]是完全不同类型的证据，但它们都可以由同一种惰性中微子来解释，”Lasserre 说。

科学家们在世界各地搜寻这种中微子。他们在南极洲的冰层下、核反应堆旁以及矿井深处寻找它。2007 年，德国物理学家将一个 200 吨重、飞艇形状的探测器运过地中海，经历了一次迂回的奥德赛之旅，送到了该国另一端的一个实验室——这就是卡尔斯鲁厄氚中微子实验（Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment，简称 Katrin）。而费米实验室的物理学家升级了 Miniboone 的探测器，启动了一个名为 Microboone 的新实验。

最新的一批结果已经出炉。这种搜寻落空了，让物理学家们对接下来该做什么感到困惑。

一个中微子的死亡

早在 2000 年，当中微子振荡证明了中微子具有质量时，Lasserre 刚刚完成他在宇宙学方面的博士论文。出于好奇，他一头扎进了中微子的世界，并在 2011 年帮助发现了反应堆异常现象。几年后，他加入 Katrin 实验，开始寻找惰性中微子。

Katrin 使用其房屋大小的探测器来寻找氚原子放射性衰变过程中释放的电子。追随泡利的脚步，参与这项工作的科学家仔细记录了电子的能量，以便对任何用于产生对应中微子的多余能量进行严格的测量。

Katrin 探测器于 2006 年抵达德国卡尔斯鲁厄。它的制造地只有几百公里远，但由于其庞大的体积，它必须通过驳船运输：顺多瑙河而下，穿过黑海和地中海，绕过伊比利亚半岛，穿过英吉利海峡，最后溯莱茵河而上。

该实验的主要目标是推导出产生一个中微子所需的最小能量——即它的静止质量。在 2025 年 4 月，经过对数以亿计电子的仔细审查，该合作项目发现中微子的质量不能超过半个电子伏特。（相比之下，一个普通电子的质量大约为 50 万电子伏特。）

Lasserre 表示，该实验也是搜寻惰性中微子的“完美工具”。如果这些更重的中微子存在，它们有时会从电子那里夺走额外的能量。但在 2025 年 12 月发表的一项分析中，Katrin 的科学家没有看到质量在 1 电子伏特左右的惰性中微子的任何迹象。Lasserre 称其为“与将这种惰性中微子想法作为反应堆异常解释不一致的重要一步”。他现在怀疑，反应堆异常是由于不确切知道预期会有多少中微子而引起的，这也是许多物理学家的共识。

Lasserre 说，虽然发现惰性中微子会令人激动，但他很庆幸至少现在有了一个了结感。“我非常高兴，因为我们没有得到模棱两可的结果，”他说。“我可不想死的时候它还是个完全未解之谜。”

这种满足感却与 Ross-Lonergan 无缘，他继续对 LSND 和 Miniboone 的谜团感到困惑。

Ross-Lonergan 分析来自 Microboone 的数据，Microboone 使用能够追踪中微子所产生的亚原子级别“烟火”的下一代技术，来检验 Miniboone 的研究工作。“我们能够拍摄单个原子被打破的瞬间，”Ross-Lonergan 说。“我百看不厌。”

一个充满液态氩的探测器代表着下一代中微子探测技术。图中，费米实验室 Microboone 实验正在安装一个用于容纳和冷却氩气的液罐。费米实验室供图。

首先，Microboone 合作小组计算了电子（从而也就是电子中微子）出现的事件，但他们没有看到任何异常。去年，他们分析了来自两束不同粒子束的中微子，但仍然没有看到电子伏特级惰性中微子的任何痕迹。

Katrin 和 Microboone 的结果，加上其他实验的发现以及来自宇宙学调查的强烈暗示，汇聚成了一个明确的信息：物理学家无法用一个看似巧妙的完美想法来解释一切。单一电子伏特级惰性中微子的理论是错误的。

于是，一个谜团破裂成了多个谜团。反应堆异常似乎越来越与中微子无关。但其他实验——LSND、Miniboone 和镓异常——仍然无法解释。“这些信号的显著性，它们都非常强，”麻省理工学院的中微子物理学家 Janet Conrad 说。“肯定不是[电子伏特级的惰性中微子]。所以问题在于：那还能是什么？”

探索更复杂的可能

一种可能性是，LSND、Miniboone 和镓异常仅仅是不走运的错误与巧合的叠加。异常现象在物理学中经常出现，物理学家通常可以将其追溯到微妙的系统性效应。“我们倾向于对异常现象持怀疑态度，我认为这是一种健康的做法，”西北大学专注于中微子研究的理论物理学家 André de Gouvêa 说。

但到目前为止，还没有人能够拼凑出哪怕是一系列错误来解释 Miniboone 的异常现象。“人们非常、非常努力地试图去否定它，”Conrad 说。镓异常同样很难被敷衍过去。

另一种可能性是，这些异常现象——无论是单独还是集体来看——确实指向了中微子的“恶作剧”，但不是由单一电子伏特级惰性中微子引起的最简单的恶作剧。物理学家目前还没有足够的数据或计算能力来断言，一个包含两个、三个或更多电子伏特级惰性中微子（或者重达数个电子伏特的更重惰性中微子）的更庞大的中微子家族，是否能帮助解释 LSND、Miniboone 或镓异常。

Microboone 还有未完成的工作。在接下来的十年里，物理学家将从新研究中获得海量数据，包括中国已开始运行的名为江门中微子实验（JUNO）的反应堆实验，以及美国由费米实验室管理的深地中微子实验（DUNE），后者预计将在 2030 年代开始收集数据。就 Conrad 而言，她正在领导一个名为 Isodar 的实验，该实验将专门寻找由任意数量的轻惰性中微子引起的快速中微子振荡。她希望该实验能在 2028 年启动并运行。

有了这些新信息，物理学家期望能拼凑出一幅更清晰的中微子领域图景。“我们通常会得到一点点好数据，或者一堆烂数据，”de Gouvêa 说。“所以，拥有大量的好数据对我们来说是一个新世界。”

无论这些异常现象最终结果如何，中微子具有质量这一事实意味着这些粒子有一条直通未知世界的专线。而惰性中微子，如果它们以某种可探测的形式存在于那里，可能仅仅是个开始。物理学家知道标准模型是不完整的——例如，它遗漏了宇宙的大部分质量。只是要在已知粒子和力的喧闹效应中探测到微妙的新事物非常困难。爱荷华大学的 Hostert 将其比作在曼哈顿喧嚣的交通噪音中，分辨出空调发出的微弱嗡嗡声。

但几乎不发生相互作用的中微子，以及更加“害羞”的惰性中微子，为聆听“提供了一个安静得多的地方”，Hostert 说。当然，虽然他希望当前和即将到来的实验能捕捉到那微弱的噼啪声，但他也知道这并不能保证成功。

面对这种不确定性，一些物理学家采取了无可奈何的接受态度。“在你的一生中可能不会取得太大进展，这确实令人沮丧，”de Gouvêa 说。但思考异常现象的可能暗示是很有启发性的，他说，“不知为何，我们都在暗自坚持，只为了学习新东西。”

与此同时，Conrad 则从这一挑战中感到了力量。她在四分之一个世纪前那个充斥着令人困惑的异常现象（这些现象预示了中微子质量的发现）的时代进入了这个领域——她也是另一位人生轨迹被这种无形粒子所塑造的物理学家。她认为这个领域现在感觉和那时一样充满着可能性。“我认为最有趣的时期正是最艰难的时期，”她说。“我的意思是，如果你不热爱艰难的挑战，你为什么还要留在这个领域呢？”