多國科學家合力闡述物理學未知領域

即使探測少量的中微子，物理學家也需要諸如日本超級神岡般的巨型探測器。 

　　有一種粒子公然藐視物理學家標準模型的規則，它就是中微子。根據理論，中微子不具有質量。但是，事實情況是，中微子有質量，從理論的角度來說，它們表現得“天馬行空、不受拘束”。

　　美國黑堡鎮弗吉尼亞理工學院理論家Patrick Huber說：“在中微子物理學領域，允許和標準模型存在10%、20%或50%的偏差。”對那些尋求新物理的人而言，“中微子是一個值得鉆研的領域”。

　　中微子源于一種形式的核衰變，與其他物質的相互作用力很弱。中微子的表現形式很多樣，1998年，物理學家利用日本一個礦內的超級神岡探測器，發現中微子具有質量——盡管不足電子的十億分之一。

　　但根據愛因斯坦的相對論，中微子是無質量的，它們不得不以光速飛行。在這種情況下，時間對于中微子而言幾近停止，變化也可以忽略不計。

　　對于中微子各種“不合常理”的表現，美國伊利諾伊州埃文斯頓市西北大學理論家André de Gouvêa說：“你絕對可以說中微子在物理學領域是一顆脫穎而出的新星。”中微子有三種類型——電子、μ介子和τ子，在振動中它們可以從一種類型轉變成另一種類型，這一現象可以被6種參數描述：質量上的3種不同（這決定著振蕩的速度）和3種不同的混合角（這決定從一種形態轉為另一種的差異）。在過去的18個月中，這一模型聚焦的范圍已經進一步縮小。

　　2012年3月，中國大亞灣反應堆中微子實驗工程的物理學家測量了最后一個未知的混合角，并發現其比很多人曾經預想的大。3個已知的混合角都大于零度，結果顯示中微子和反中微子能夠以不同的方式振蕩——這種被稱為宇稱不守恒的不對稱性有助于解釋為何宇宙中的物質遠多于反物質。

　　美國伊利諾伊州巴達維亞市費米國家加速器實驗室（Fermilab）的Robert Plunkett說，大亞灣反應堆中微子實驗表明，如果宇稱不守恒確實存在，那么它能夠被相對容易地觀測到。“曾經被認為很艱巨的任務，現在已處于我們的掌握之中。”他說。

　　今年3月，這個新模型更為引人注目，宇宙學家利用歐洲航天局的普朗克飛船完成了其宇宙微波背景實驗。該分析探究了中微子形態的數量，對可能存在的第四種中微子提出了懷疑。de Gouvêa說：“目前確切證實的3種類型的中微子相互作用良好。這個結果也許令人失望，但這就是事實。”

　　物理學家計劃開展以前從未有過的更大規模的實驗：將中微子發射到距離地球數百公里外的區域，允許它們在飛行中改變形態。在美國，被提議的長基線中微子實驗將利用儲存在南達科他州里德附近廢棄的霍姆斯特克礦地下的巨型探測器，探測從1300公里外的Fermilab發出的中微子束。在日本，計劃中的Hyper神岡實驗將探測從295公里處發出的中微子，探測器的規模是超級神岡的20倍。

　　物理學家希望，通過采取一系列不同的測量方法，能找到現有中微子模型間的差異。美國紐約布魯克海文國家實驗室物理學家Mary Bishai說：“如果我們試圖以不同的方式觀測中微子振蕩，驚喜是否會出現？3種形態的中微子模型是否會被瓦解？”

　　物理學家還希望首先知曉中微子是如何獲得質量的。和標準模型中的其他粒子一樣，中微子能夠從希格斯場的作用中獲得質量。或者，它們可能通過所謂的翹翹板機制獲得質量。但是要實現這一目標，中微子必須有一個特性：它是其自身的反粒子。

　　為了進一步證實猜想，物理學家正在使用地下探測器尋找一種被稱為“無中微子雙β衰變”的核衰變新類型，這種情況只有在中微子是自身反粒子時才會發生。迄今為止，還沒有出現一些強有力的證據。

　　7月，意大利格蘭薩索國家實驗室地下鍺探測器陣列（GERDA）實驗顯示，先前宣稱觀測到的鍺-76同位素是不實的。如果衰變確實存在，很多研究人員懷疑需要更大型（重達1噸或數噸）的探測器才能進行觀測。