一個謎題的終結
我們生活在一個由粒子所構成的世界之中。在現代粒子實體學中，所有已知的基本粒子及其互相作用，都是由粒子實體學的标準模型描述的。
在标準模型中，中微子吸引了許多的關注。目前，已确認存在三種不同類型的中微子，或者說中微子有三種“味”，分别是電子中微子、µ子中微子、τ子中微子。除此之外，實體學家還預言了第四種類型——惰性中微子。
惰性中微子的存在與否是實體學中的一大謎題。現在，這一謎題的終極結論似乎已被揭曉。在一項新的研究中，研究人員在結合了大量的實驗資料後，稱他們排除了惰性中微子存在的可能。
這一對粒子實體學有着重要意義的研究結果被發表在了1月11日的《自然》雜志上。
一種神奇的“身份”轉換
中微子是宇宙中最豐富的基本粒子之一，它們有的來自太陽核心的聚變，有的來自宇宙射線與地球大氣的互相作用，有的來自在加速器中産生的粒子的衰變。每一秒，數萬億顆中微子穿過我們的身體，但我們無法察覺它們的存在。
盡管中微子的數量極其豐富，但由于它們幾乎不與任何物質互相作用，導緻探測中微子變得極為棘手，是以它們也常被稱為“幽靈粒子”。
在過去的實驗中，實體學家發現了這些粒子的一個奇怪特性：當中微子在空間中傳播時，它們的“身份”可以互相轉變——從一種“味”自發地轉化成另一種。例如，當從太陽核心釋放出來的一個電子中微子在抵達地球前，它是可以轉變成其它身份的。這種過程被稱為中微子振蕩。
在過去很長一段時間裡，實體學家認為中微子是無品質的，但中微子振蕩現象的發現，證明了中微子必須是有品質的。因為這種奇異的現象隻有在中微子是有品質的情況下才會發生。
異常的實驗結果
1996年，科學家在一項實驗中發現了一種具有新頻率的異常中微子振蕩，這預示着可能存在第四種中微子，也就是惰性中微子。
之是以說它們是“惰性的”，是因為它們不參與弱互相作用，隻有當一種普通中微子通過振蕩變成它時，它才會出現。此外，它們的品質應該比其他三種中微子要大得多。
随着實驗精度的提高，這一假設在2011年得到了進一步的支援。當時，實體學家發現，核反應堆産生的反電子中微子（即電子中微子的反粒子）的總數（通量）比理論預測值低6%。這一顯著的異常是可能存在惰性中微子的最有力線索之一，因為造成這種缺失的一個可能解釋是，一些中微子在離開反應堆堆芯後變成了惰性中微子。但這種說法，一直沒能得到實驗的确鑿證明。
在核反應堆中，反中微子的産生源自于β衰變。具體來說，當反應堆中鈾-235和钚-239在經過裂變反應分裂成更輕的原子核後，更輕的原子核會經曆放射性衰變。在這樣的衰變過程中，原子核中的中子會變成質子，釋放出一個電子和一個反電子中微子。
STEREO實驗
2017年，為了明确地檢驗惰性中微子是否存在，并确定它們的性質，格勒諾布爾國際研究所的高通量核研究反應堆開始設計并開始運作STEREO實驗。
STEREO實驗的中微子探測器是由6個相同的部分組成的，它們被放置在距離反應堆堆芯9~11米的地方。之是以選擇這個距離範圍，是因為在那裡，轉變成惰性中微子的振蕩，可以顯現在電子中微子的能譜中。
此外，由于中微子是很難被探測的粒子，來自反應堆外的其他信号來源可以很輕易地對目标信号造成幹擾，是以這樣的實驗需要對探測器進行外部環境隔絕。在STEREO實驗中，合作組對背景信号進行了較好的屏蔽控制。
STEREO實驗示意圖，探測器被放置在反應堆堆芯旁。（圖/stereo-experiment.org）
如果反中微子确實振蕩成了惰性反中微子，那麼在STEREO實驗中，就可以既看到2011年的反中微子通量異常，還可以看到反中微子能譜會随着探測器與反應堆的距離變化而變化。因為有着更低能量的中微子，應該比有着更高能量的中微子轉變得更快，進而會在中微子前進的過程中改變它的能譜。
如果存在惰性中微子，那麼探測到的能譜的形狀會随着距離變化。（圖/D. Lhuillier, CEA via stereo-experiment.org）
在2017年至2020年期間，STEREO合作組總共觀測到超過10萬個中微子。然而，卻沒有發現任何表明惰性中微子存在的痕迹。他們的資料顯示，雖然反中微子的通量的測量值确實比預測值低5.5%，但反中微子的能譜并沒有随着與反應堆的距離變化而變化。
這意味着，STEREO實驗證明了通量異常，但排除了這種異常是由惰性中微子引起的可能性。
迷霧仍在
其實，早在2017年，來自中國大亞灣反應堆中微子實驗的實體學家就曾對2011年的實驗結果提出過質疑。在大亞灣實驗中，研究人員在反應堆中使用了4%的鈾-235作為燃料。最終的結果表明，随着鈾-235數量的減少，反中微子缺失的量也在縮小。這意味着，來自鈾-235的反中微子通量可能被高估了。
現在，STEREO合作組證明了這種懷疑，他們在很大程度上排除了惰性中微子存在的可能。然而，迷霧并沒有散去。最新的結果雖然證明了反應堆中的反中微子通量的确存在異常，但這種異常的原因仍是一個謎。
盡管仍然迷霧重重，但這一結果對基礎實體學的許多領域都有着重要影響。一方面它強有力地否定了惰性中微子假說，但同時它也進一步支援了标準模型。
參考來源：
https://www.mpi-hd.mpg.de/mpi/en/public-relations/news/news-item/final-results-from-the-stereo-experiment-reject-sterile-neutrino-hypothesis
https://www.nature.com/articles/d41586-022-04581-9
https://www.stereo-experiment.org/scientific.php?
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05568-2
https://www.science.org/content/article/nuclear-reactor-mystery-solved-no-need-new-particles
封面圖&首圖：J.L. Baudet, ILL