物理學家透過更多地了解宇宙中最微小的粒子，這會讓我們比以往任何時候都更接近回答有關宇宙起源的基本問題。科學家們正在加強對中微子的研究，這種神秘的粒子幾乎不受阻礙地穿過物質。 主要目標包括研究中微子如何改變類型，以及尋找以前未知的中微子種類，可能會改變目前對物理學的理解。

工人們在南達科他州為地下深層中微子實驗（DUNE）挖掘洞穴。 DUNE 是一項大型實驗，旨在透過將中微子發射到埋藏在地下深處的探測器來研究中微子。 資料來源：Lynn Johnson/費米實驗室

辛辛那提大學教授亞歷山大-索薩（Alexandre Sousa）詳細介紹了未來十年全球對中微子的研究。中微子是一種微小得令人難以置信的粒子，它以接近光速的速度傳播，每秒以數萬億的數量穿過幾乎所有物體。

中微子是宇宙中最豐富的有質量的粒子，因此成為科學家試圖了解物理學基本面的重點。

這些粒子在各種過程中產生，包括太陽中的核融合、核反應器和地殼中的放射性衰變以及粒子加速器中的實驗。 中微子在運動過程中可以在三種類型之間切換，這個過程一直讓研究人員感到好奇。

但是，出乎意料的實驗結果讓物理學家懷疑可能存在另一種中微子，這種中微子被稱為靜態中微子，因為它似乎對四種已知”力”中的三種”力”免疫。

索薩說：”從理論上講，它與引力相互作用，但與其他力，弱核力、強核力或電磁力沒有相互作用。”

辛辛那提大學教授亞歷山大-索薩（Alexandre Sousa）用一個塑膠玩具示範中微子在穿越宇宙時如何改變”味道”。 圖片來源：Joseph Fuqua II

在《物理學報》（Journal of Physics G）上發表的一篇新白皮書中，索薩和他的合著者討論了中微子探索中令研究人員困惑的實驗異常現象。

該論文是粒子物理學界規劃活動的產物，被稱為”雪山2021/2022″。

高能物理領域的代表每十年聚集一次，就美國及其國際合作夥伴的粒子物理未來合作。

他們的集體願景由”粒子物理項目優先化小組”（或稱為”P5″）闡述，並與科學資助方案相對抗。 “P5″於2023年發布的最終報告直接向國會提出了資助計畫的建議。

索薩是這篇論文的通訊作者之一，該論文討論了未來十年最有前途的一些項目。

加州大學教授尤雷-祖潘（Jure Zupan）、加州大學副教授亞當-奧裡薩諾（Adam Aurisano）、加州大學訪問學者塔拉克-塔科爾（Tarak Thakore）、加州大學博士後邁克爾沃爾班克（Michael Wallbank）以及加州大學物理系學生赫里拉拉-拉扎菲尼梅（Herilala Razafinime）和米里亞馬-拉賈奧利索阿（Miriama Rajaoalisoa）也為該論文做出了貢獻。

加州大學物理學教授尤雷-祖潘（Jure Zupan）與他人合作撰寫了一篇概述未來10 年中微子研究的論文。 資料來源：Joseph Fuqua II/加州大學

“中微子物理學有望在幾個方面取得進展，”祖潘說。除了尋找不孕中微子，物理學家們也正在研究幾種實驗異常現象–數據與理論之間的分歧–在不久的將來，他們將能夠透過即將進行的實驗對這些異常現象進行檢驗。

進一步了解中微子可能會顛覆我們幾個世紀以來對物理學的認知。 多個中微子計畫獲得了世界最高科學獎–諾貝爾獎的認可，最近，中微子振盪的發現獲得了2015年諾貝爾物理學獎。 美國等國家正向這些計畫投資數十億美元，因為科學界對這些議題的研究有著濃厚的興趣。

一個問題是，如果大爆炸產生了同等數量的物質，為什麼宇宙中的物質多於反物質？ 索薩說，中微子研究可以提供答案。

索薩說：”這可能不會對你的日常生活產生什麼影響，但我們正試圖了解我們為什麼會在這裡。中微子似乎是回答這些深奧問題的關鍵。”

深層地下中微子實驗將透過研究從費米實驗室發送到桑福德地下中微子設施的DUNE探測器的中微子來測量中微子振盪。 實驗將使用費米實驗室長基線中微子設施產生的μ介子中微子束，並將其直接穿過地球800 英里/1300 公里送往南達科他州。 當中微子到達南達科他州時，只有一小部分中微子將被偵測到作為μ介子中微子。 大部分中微子將以電子中微子和頭中微子的形式相互作用。 資料來源：費米實驗室

DUNE：中微子實驗的最前沿

索薩是費米國家加速器實驗室（Fermi National Accelerator Laboratory）最雄心勃勃的中微子計畫之一”DUNE”或”地下深層中微子實驗”（Deep Underground Neutrino Experiment）的一部分。 施工人員在地下5000 英尺處挖掘了前霍姆斯泰克金礦，以安裝中微子探測器。 索薩說，光是電梯到達偵測器洞穴就需要大約10 分鐘。

研究人員將探測器置於地下深處，以屏蔽宇宙射線和本底輻射。 這樣就更容易分離出實驗中產生的粒子。

實驗定於2029 年開始，其中兩個探測器模組將測量來自大氣層的中微子。 但從2031 年開始，費米實驗室的研究人員將發射一束高能量中微子，穿過地球800 英里，到達位於南達科他州的等待探測器和位於伊利諾伊州的更近的探測器。 該計畫由1400 多名國際工程師、物理學家和其他科學家合作完成。

“有了這兩個探測器模組和有史以來最強大的中微子束，我們可以進行大量的科學研究，」索薩說。 “DUNE的上線將非常令人興奮。 這將是有史以來最好的中微子實驗。”

辛辛那提大學教授亞歷山大-索薩（Alexandre Sousa）用一個塑膠玩具示範中微子在穿越宇宙時如何改變”味道”。 圖片來源：Joseph Fuqua II

這篇論文是一項雄心勃勃的工作，有來自118 所大學或研究所的170 多名撰稿人和包括索薩在內的14 位編輯參與。同時，索薩和加州大學的奧裡薩諾也參與了費米實驗室的另一項名為NOvA 的中微子實驗，該實驗研究中微子如何以及為什麼會改變味道並返回。 今年6 月，他的研究小組報告了他們的最新發現，提供了迄今為止最精確的中微子質量測量。

另一個名為”Hyper-Kamiokande”或”Hyper-K”的大型專案是日本正在建造的中微子觀測站和實驗。 該計畫最早可能在2027 年開始運行，也是為了尋找不孕中微子的證據，以及其他研究問題。

索薩說：「這會產生非常有趣的結果，尤其是當你把它們與DUNE 放在一起時。 因此，這兩項實驗結合在一起將極大地促進我們的知識發展，我們應該能在2030 年代找到一些答案”。

加州大學的祖潘表示，這些耗資數十億美元的項目有望解答有關物質和反物質以及宇宙起源的核心問題：”迄今為止，我們只知道粒子物理學中有一個這樣的參數值不為零，它與夸克的特性有關。

世界各地的科學家正在進行許多其他中微子實驗，這些實驗可能會提供答案或產生新的問題。

編譯自/ ScitechDaily