第四種中微子？重新點燃核反應堆尋找神秘的「無菌」中微子

知識 07-29

到今天相信你已經知到物質（如人、地球、手機…）是由粒子構成的。但是宇宙中第二個最豐富的粒子即中微子，目前尚不完全了解。這個微小而難以捉摸的粒子與構成我們人類和星系的其他粒子幾乎沒有相互作用。到目前為止它的奧秘依然讓科學家所困惑。

圖片：加州大學勞倫斯伯克利分校國家實驗室

（編譯者與「博科園」商討後）由於翻譯詞法問題本文中所提到的「無菌中微子」和「惰性中微子」均是指相同的中微子，一般理學中中文應稱為「惰性中微子」更為恰當，但編者百度了一下也有將此語句翻譯成「無菌中微子」的案例故而本文對此名字使用了兩種註明也為此特別說明、希望大家予知曉。

註：

有三種中微子分別是"電子中微子"，"μ中微子" 和 "τ中微子"，它們可以通過稱為中微子振蕩的過程來轉換身份。但許多實驗的證據表明，另一種（惰性）「無菌」中微子比其它三種 "中微子" 更難探測。今年 4月一篇新的論文引起了媒體對這種奇怪粒子存在的懷疑。但另一項分析顯示它遠未消失。並且對 "反應堆異常" 的理解及其對核電工業可能有重要的影響。

安娜·海斯（Anna Hayes）在洛杉磯阿拉莫斯國家實驗室的arXiv預印伺服器上發表的一項新分析的第一作者說：一般的看法是，有必要進行新的實驗、

無菌中微子有很長的故事，核反應堆和粒子加速器的實驗證實了奇異的中微子身份轉換振蕩行為，使得科學家Takaaki Kajita和Arthur McDonald獲得2015年諾貝爾物理學獎。但是在洛斯阿拉莫斯的一個名為「液體閃爍體中子檢測器」的實驗，看到了額外的「電子反中子」（在粒子物理學中每個粒子都有一個反粒子的行為完全相同，但是在振蕩過程中湮滅了）。另一個名為MiniBooNE的實驗也在自己的振蕩中看到一些額外的數據。

這額外的數據暗示可能有第四種中微子，即（惰性）無菌中微子，實驗無法檢測到，但其他三種中微子可以改變。粒子彼此作用有四種確定的方式：引力力，電磁，強核力和弱核力。常規中微子與其他粒子與弱核力和重力，但也許這些（惰性）無菌中微子只能通過引力作用，這可以解釋為什麼實驗看不到它們。

可以這裡理解，假設你有一個對講機調到弱核力通道，中微子是廣播他們的信息有兩個對講機：一個在你的頻道，一個引力通道，但是如果你的無線電不能接信號在引力頻道，這是唯一（惰性）中微子可以播放的頻道，所以你不能聽到他們。

最近,在中國的大亞灣核電站，科學家們已經建立了特殊的中微子探測器來捕捉從反應堆中出來的微粒。當中微子通過弱核力與分子相互作用時，一個特殊液體的巨型水池產生微小的閃光，在探測器里這些閃光被放大並變成信號。

這項實驗揭示了人們稱之為 "反應堆異常" 的現象，來自伊利諾伊理工學院的Bryce Littlejohn解釋了說：「反應堆中微子實驗」中中微子檢測器觀察核電廠的放射性元素，反應堆中微子比理論家預測的要少6％。這一缺陷的一個假說是在反應器中產生的一些電子類型的中微子正在轉變為對各種反應堆中微子探測器的更具幽靈性的（惰性）無菌中微子，然而探測器不能與這些中微子作用故而不能被探測到。

大亞灣八個中微子探測器之一。圖片：Roy Kaltschmidt，勞倫斯伯克利國家實驗室/維基共享資源

但4月的一系列新結果得到了大量的媒體報道，並對（惰性）無菌中微子是否能解釋這種反常現象表示懷疑。從根本上說研究人員發現隨著時間的推移，大亞灣的放射性燃料的元素組成發生了變化，異常的大小發生了變化。這些結果暗示也許探測器只是誤判了一種來自鈾-235燃料中的反中微子數量。也許 U-235 的差異可以解釋反應堆的反常現象，耶魯大學的中微子物理學家Karsten Heegerr說：簡而言之也許他們還沒有找到無菌中微子的證據。

這些新聞引發了大量的探討，但Hayes的新分析顯示鈾-235的結果可能無法解釋這個異常現象。我們會說新的大亞灣結果肯定會質疑異常的起源，但並不排除是（惰性）無菌的中微子的原因。研究人員回到了核電工業和其他資料庫，再次研究了中微子流量和核衰變數據。雖然中微子異常的規模小於Littlejohn所描述6％的異常，但仍然存在與燃料不變，反駁了4月份公布的新聞報道（惰性）無菌中微子或許並沒有不存在，儘管海耶斯不排除這樣一個事實，也許科學家們根本就不了解核物理學。

Littlejohn指出許多中微子物理學家認為某種分析可能會有問題。但是反應堆一次性處理（惰性）無菌中微子的唯一真正方法就是用新型反應堆實驗直接測量無菌中微子轉化。他和Heeger都在做這樣一個叫做PROSPECT的實驗，而不是與大亞灣發現的同位素混合物，PROSPECT將從使用純鈾-235的橡樹嶺國家實驗室反應堆中觀察到反中中微子。

Hayes表示：新的實驗將進入一個更小的反應堆（不到十米）。大亞灣的探測器位於距離反應堆數百米的地方，但PROSPECT距離其反應堆僅有七米，使研究人員能夠在排放之後儘早觀察中微子。Hayes指出歐洲的其他試驗將同樣試圖解釋這個異常現象。