在深地下中微子实验中揭开中微子的神秘面纱

中微子管自己的事。每一秒，数十亿个这些基本粒子都会穿过恒星、行星、建筑物和人体，并且很少会被它们阻挡，就像亚原子地铁人群一样。这就是为什么他们经常被描述为“幽灵般的”或“难以捉摸的”。

理论物理学家PatrickHuber表示，如果科学家能够创造并捕捉到这些微小且弱相互作用的粒子撞上某物时的罕见情况，它们就可以步入所有物理学家最终希望探索的灰色地带：标准模型之外存在的事实粒子物理学，超出其解释。中微子就在那里，暗物质也在那里。

如果能够准确测量中微子的行为，就可以证明我们——以及我们的身体、建筑物、行星和恒星，都是由物质构成的——是如何在大爆炸之后得以存在的。“有些事情是标准模型无法解释的，比如为什么宇宙中的物质多于反物质，”弗吉尼亚理工大学物理系教授、RogerMoore和MojdehKhatam-Moore教职研究员Huber说。科学学院。“但我们从来没有找到让标准模型之外的这些已知事实真正起作用的成分。如果新物理学要做出巨大贡献，它只能在中微子中真正体现出来。”

为了弄清楚中微子在做什么，物理学家需要用有史以来最强大的光束发射中微子，这些光束是在遥远的、巨大的、地下的、极其精确的粒子探测器上发射的。超过1000名科学家齐聚一堂，在美国能源部费米国家加速器实验室(Fermilab)主持的名为“地下深层中微子实验(DUNE)”的长达数十年的项目中创建了此类实验。

在过去的十年中，在DUNE的发展过程中，Huber与弗吉尼亚理工大学中微子物理中心的实验物理学家CamilloMariani合作，他们在那里研究了实现DUNE等实验测量中微子行为所需的前所未有的精度的方法并发现该领域寻求的“新物理学”。

在DUNE的国际团队开发该设施时，Mariani将他们所学到的知识带到了他的工作中。他们对精确度的追求是小雷蒙德·戴维斯(RaymondDavisJr.)和约翰·巴考尔(JohnBahcall)在1960年代开始尝试计算太阳中微子的难题之一。

当两个物理学家仰望太阳时

小雷蒙德·戴维斯(RaymondDavisJr.)领导了首批测量来自自然界丰富来源之一：太阳的中微子的实验之一。当戴维斯在南达科他州铅的霍姆斯塔克矿建立实验时，巴考尔计算了他预测实验将从其充满清洁液的大型地下储罐内发生的核反应中收集到的太阳中微子的数量。但是从1970年到92年进行的Homestake实验只收集了Bahcall预测的三分之一的中微子。

当时大多数物理学家认为要么戴维斯在实验中做错了什么，要么Bahcall的计算错误。中微子丢失的问题被称为物理学家多年来试图解决的“太阳中微子问题”。萨德伯里中微子天文台的科学家最终在2002年在加拿大矿山进行的实验中解决了这个问题。

他们使用一个充满重水的巨大球体，通过内部核反应产生的光来测量中微子。他们找到了中微子丢失的原因：中微子在穿越太空时会改变类型或“味道”。

已知三种中微子类型：电子、μ子和τ。萨德伯里实验对这三种中微子都很敏感，这与戴维斯的实验不同，戴维斯的实验只检测到电子中微子。正是这种被称为“中微子振荡”的变味现象直接与标准模型相矛盾，标准模型曾预测中微子是无质量的。

Mariani使用冰淇淋口味分解中微子振荡。“你可以想象你去了一家冰淇淋店，你得到了你最喜欢的：香蕉，”马里亚尼说。“然后你走出去，你的冰淇淋口味现在变成了草莓。你再走两步，草莓变成香草。再走三步，香草变成椰子。这就是人们所说的振荡。它可以是传播距离的函数是时间的函数。只有当粒子的质量不为零时才会发生这些情况。”

随着太阳中微子缺失问题的解决，物理学家开始着手研究中微子振荡的工作原理。Huber说，当今重要的基础科学问题是中微子和反中微子的这些味道变化是否以相同的速度发生。如果它们以不同的方式振荡，那么这种差异——一种称为CP破坏的物理过程——可能有助于解释为什么我们的宇宙由我们和我们的周围环境组成，而不仅仅是光和光。

物理学家认为，140亿年前，宇宙中物质和反物质的数量完全相同。Huber说：“如果那是真的，并且一直保持这种状态，那么最终，所有物质和反物质都会相遇并变成光。”“那时宇宙将只包含光而没有其他任何东西。显然，事情不是这样发生的。”

因为我们存在，所以很明显，在大爆炸期间，物质以对称性破缺的形式支配着反物质。中微子振荡可以通过展示它们自身的不对称性来展示这是如何可能的。DUNE提供了一种方法来捕捉行为中的不对称性——或不捕捉。

Huber说，中微子和反中微子之间振荡率的差异(或缺乏)不会很明显，这就是为什么像他和马里亚尼这样的物理学家如此关注精度。在DUNE的测量中，它可能会下降到数字的十分之一或百分之一。Huber说，虽然这是一项壮举，但DUNE是完成它所需的最低要求，因为在精确测量中微子振荡的情况下，“你需要土星火箭才能飞向月球。”

“在过去的二十年里，物理学已经从一个我们很高兴只是说，‘哦，我们已经看到中微子，万岁’的领域，发展到我们试图进行非常精确的测量的地步，”Huber说。“DUNE是这方面的缩影。这确实是长达数十年的进化的终结，中微子物理学变得越来越精确。DUNE正在尝试对中微子进行有史以来最精确的测量之一。”

土星火箭飞向月球

测量中微子振荡有一些必要条件：产生足够的中微子事件，只有少数事件会被实验抢走;在中微子的来源和它们的终点之间放置足够的距离，以便它们展示它们的振荡;并建立一个足够大且分辨率高的装置来捕捉事件留下的能量。

DUNE对此的回答始于位于伊利诺斯州巴达维亚费米实验室的强大中微子束。在这里，物理学家将在充满液态氩的40,000吨粒子探测器上，在地下1,300公里的距离内发射中微子。该探测器将位于南达科他州Homestake实验使用的同一采矿区。

当中微子撞击探测器内部的氩气并留下能量轨迹时，这种材料将提供无与伦比的测量精度，Mariani说。“从本质上讲，这就像拿一台1980年代的相机，并将其与拥有数百万像素的手机相机进行比较，”他说。

科学学院还有另一个DUNE联系，也非常紧密。凯文皮茨于去年6月开始担任学院院长，是物理系的附属教员，去年被任命为费米实验室的首席研究官。在那里，他负责监督实验室的科学项目，其中包括耗资数十亿美元的DUNE项目。

“DUNE实验将是一项真正非凡的技术成就，它将带来真正非凡的科学见解，”皮茨说。“这个实验将在布莱克山一个废弃的金矿地下一英里处使用40,000吨液态氩。来自世界各地的科学家正在为这项工作做出贡献，因为他们对将在该设施进行的转化科学感到兴奋。”

多年来，Mariani和Huber一直致力于确保DUNE项目的这一部分不会失败。因为当粒子撞击探测器时，科学家们并没有真正看到中微子本身，所以他们必须重建与留下的能量发生的相互作用。

Huber说，要做到这一点取决于相互作用中发生的微观物理学。重建交互就像追踪向时钟发射子弹的效果一样复杂，他说，“取决于你如何击中时钟，你可能会飞出齿轮，你可能会飞出数字。要真正重建时钟，或整个交互，我需要知道子弹射出系统每个给定子部分的概率。”

当向氩原子发射中微子时，氩原子核会喷射出各种粒子：中子、质子和介子等新粒子，探测器很容易错过这些粒子，所有这些粒子都需要计算在内才能准确测量氩原子核产生的总能量中微子事件。“在我们与Mariani博士的合作中，我认为我们是第一个真正尝试研究其细节并量化由此产生的系统不确定性的小组，”Huber说。“我认为这项工作对人们如何思考设计整个实验产生了巨大影响。”

Huber和Mariani将中微子物理中心视为理论家和实验家之间能够进行这种程度合作的少数几个地方之一。自2010年成立以来，该中心已经建立了理论和实验项目，因为随着中微子物理学的发展，理论家和实验家总是需要彼此。

当一个实验家和一个理论家去喝咖啡

在物理学中，理论和实验倾向于在一个反馈循环中来回循环：理论家提出一个问题，实验家想出一种方法来建立一个实验来试图回答这个问题，一旦他们有了数据，理论家试着弄清楚这意味着什么。

当理论家和实验家难以相互理解时，这种来回就不会顺利进行。Huber说，这变得越来越容易发生，因为在物理学领域开辟一条职业道路往往会促使科学家自我认同为理论家或实验家。“当你成为一名成年研究人员时，你往往会失去这种有效地相互交流的能力，”Huber说。“我认为解决这个问题的唯一方法是定期进行社交互动，最终你会学会理解对方的语言。”

该中心主任Huber说，重要的是要寻找让理论家和实验家保持交流的方法，可以是在理论-实验联合研讨会上，也可以是像共享一杯咖啡这样简单的事情。“马里亚尼博士碰巧有一台不错的咖啡机，”他说。“真的是你有这种随意的社交互动和一种没有人会因为问愚蠢问题而感到尴尬的关系。我可以走到走廊上问我的任何实验同事，“嘿，如果你做了X会怎样?”而且大多数情况下他们会告诉我，“好吧，X会爆炸，”或类似的话。但有时你会发现你可以做一些真正有趣的新事情。

所以它将与DUNE一起使用。Huber说，该项目能否提出关于中微子的新见解，部分取决于其科学家如何将不同的才能集中在同一个问题上。

DUNE计划从2029年开始收集20年的中微子振荡数据。物理学家还需要10到15年才能从结果中找到意义。他们可能会也可能不会找到证据来回答宇宙中物质对反物质的支配地位问题。但DUNE的潜力不止于此，Huber说。

DUNE代表了一个设施，物理学家将能够以他们尚未想到的方式使用技术。“这就是它真正有趣的地方，”Huber说。“一旦你拥有了这种新设施和技术能力，人们就会变得非常有创造力，并找到成千上万种其他方法来从中提取新科学。实际上，我们在科学领域所做的事情是由好奇心驱动的。这就是我们这样做的原因。“