物理学家通过更多地了解宇宙中最微小的粒子，这会让我们比以往任何时候都更接近于回答有关宇宙起源的基本问题。科学家们正在加强对中微子的研究，这种神秘的粒子几乎不受阻碍地穿过物质。 主要目标包括研究中微子如何改变类型，以及寻找以前未知的中微子种类，这可能会改变目前对物理学的理解。

工人们在南达科他州为地下深层中微子实验（DUNE）挖掘洞穴。 DUNE 是一项大型实验，旨在通过将中微子发射到埋藏在地下深处的探测器来研究中微子。 资料来源：Lynn Johnson/费米实验室

辛辛那提大学教授亚历山大-索萨（Alexandre Sousa）详细介绍了未来十年全球对中微子的研究。中微子是一种微小得令人难以置信的粒子，它以接近光速的速度传播，每秒以数万亿的数量穿过几乎所有物体。

中微子是宇宙中最丰富的有质量的粒子，因此成为科学家们试图了解物理学基本方面的重点。

这些粒子在各种过程中产生，包括太阳中的核聚变、核反应堆和地壳中的放射性衰变以及粒子加速器中的实验。 中微子在运动过程中可以在三种类型之间切换，这一过程一直让研究人员感到好奇。

但是，出乎意料的实验结果让物理学家怀疑可能存在另一种中微子，这种中微子被称为静态中微子，因为它似乎对四种已知"力"中的三种"力"免疫。

索萨说："从理论上讲，它与引力相互作用，但与其他力，弱核力、强核力或电磁力没有相互作用。"

辛辛那提大学教授亚历山大-索萨（Alexandre Sousa）用一个塑料玩具演示中微子在穿过宇宙时如何改变"味道"。 图片来源：Joseph Fuqua II

在《物理学报》（Journal of Physics G）上发表的一篇新白皮书中，索萨和他的合著者讨论了中微子探索中令研究人员困惑的实验异常现象。

该论文是粒子物理学界规划活动的产物，被称为"雪山 2021/2022"。

高能物理领域的代表每十年聚集一次，就美国及其国际合作伙伴的粒子物理未来开展合作。

他们的集体愿景由"粒子物理项目优先化小组"（或称"P5"）阐述，并与科学资助方案相对抗。"P5"于2023年发布的最终报告直接向国会提出了资助项目的建议。

索萨是这篇论文的通讯作者之一，该论文讨论了未来十年最有前途的一些项目。

加州大学教授尤雷-祖潘（Jure Zupan）、加州大学副教授亚当-奥里萨诺（Adam Aurisano）、加州大学访问学者塔拉克-塔科尔（Tarak Thakore）、加州大学博士后迈克尔-沃尔班克（Michael Wallbank）以及加州大学物理系学生赫里拉拉-拉扎菲尼梅（Herilala Razafinime）和米里亚马-拉贾奥利索阿（Miriama Rajaoalisoa）也为该论文做出了贡献。

加州大学物理学教授尤雷-祖潘（Jure Zupan）与他人合作撰写了一篇概述未来 10 年中微子研究的论文。 资料来源：Joseph Fuqua II/加州大学

"中微子物理学有望在几个方面取得进展，"祖潘说。除了寻找不育中微子，物理学家们还在研究几种实验异常现象--数据与理论之间的分歧--在不久的将来，他们将能够通过即将进行的实验对这些异常现象进行检验。

进一步了解中微子可能会颠覆我们几个世纪以来对物理学的认识。 多个中微子项目获得了世界最高科学奖--诺贝尔奖的认可，最近，中微子振荡的发现获得了2015年诺贝尔物理学奖。 美国等国家正向这些项目投资数十亿美元，因为科学界对这些问题的研究有着浓厚的兴趣。

一个问题是，如果大爆炸产生了同等数量的物质，为什么宇宙中的物质多于反物质？ 索萨说，中微子研究可以提供答案。

索萨说："这可能不会对你的日常生活产生什么影响，但我们正试图了解我们为什么会在这里。中微子似乎是回答这些深奥问题的关键。"

深层地下中微子实验将通过研究从费米实验室发送到桑福德地下中微子设施的DUNE探测器的中微子来测量中微子振荡。 实验将使用费米实验室长基线中微子设施产生的μ介子中微子束，并将其直接穿过地球 800 英里/1300 公里送往南达科他州。 当中微子到达南达科他州时，只有一小部分中微子将作为μ介子中微子被探测到。 大部分中微子将以电子中微子和头中微子的形式相互作用。 资料来源：费米实验室

DUNE：中微子实验的最前沿

索萨是费米国家加速器实验室（Fermi National Accelerator Laboratory）最雄心勃勃的中微子项目之一"DUNE"或"地下深层中微子实验"（Deep Underground Neutrino Experiment）的一部分。 施工人员在地下 5000 英尺处挖掘了前霍姆斯泰克金矿，以安装中微子探测器。 索萨说，仅电梯到达探测器洞穴就需要大约 10 分钟。

研究人员将探测器置于地下深处，以屏蔽宇宙射线和本底辐射。 这样就更容易分离出实验中产生的粒子。

实验定于 2029 年开始，其中两个探测器模块将测量来自大气层的中微子。 但从 2031 年开始，费米实验室的研究人员将发射一束高能中微子，穿过地球 800 英里，到达位于南达科他州的等待探测器和位于伊利诺伊州的更近的探测器。 该项目由 1400 多名国际工程师、物理学家和其他科学家合作完成。

"有了这两个探测器模块和有史以来最强大的中微子束，我们可以进行大量的科学研究，"索萨说。"DUNE的上线将非常令人兴奋。 这将是有史以来最好的中微子实验。"

辛辛那提大学教授亚历山大-索萨（Alexandre Sousa）用一个塑料玩具演示中微子在穿过宇宙时如何改变"味道"。 图片来源：Joseph Fuqua II

这篇论文是一项雄心勃勃的工作，有来自 118 所大学或研究所的 170 多名撰稿人和包括索萨在内的 14 位编辑参与。与此同时，索萨和加州大学的奥里萨诺还参与了费米实验室的另一项名为 NOvA 的中微子实验，该实验研究中微子如何以及为什么会改变味道并返回。 今年 6 月，他的研究小组报告了他们的最新发现，提供了迄今为止最精确的中微子质量测量结果。

另一个名为"Hyper-Kamiokande"或"Hyper-K"的大型项目是日本正在建设的中微子观测站和实验。 该项目最早可能于 2027 年开始运行，也是为了寻找不育中微子的证据，以及其他研究问题。

索萨说："这会产生非常有趣的结果，尤其是当你把它们与 DUNE 放在一起时。 因此，这两项实验结合在一起将极大地促进我们的知识发展，我们应该能在 2030 年代找到一些答案"。

加州大学的祖潘表示，这些耗资数十亿美元的项目有望解答有关物质和反物质以及宇宙起源的核心问题："迄今为止，我们只知道粒子物理学中有一个这样的参数值不为零，它与夸克的特性有关。 中微子是否也存在类似的参数是一个有趣的未决问题。"

世界各地的科学家正在进行许多其他中微子实验，这些实验可能会提供答案或产生新的问题。

编译自/ScitechDaily