在日本伊基诺山地下一公里处，坐落着世界上最大的中微子探测器“超级神冈德”。这个12层楼高的圆柱形容器里装着5万吨水，内衬着超过1.1万根管子，用来观测高能中微子与物质碰撞时发出的光。
近20年前，超级k和其他地方的实验表明中微子可以振荡或改变“味道”，这一发现证明了幽灵粒子具有质量，并颠覆了它们在标准物理模型中的角色。从那时起，杜克大学的物理学家凯特·肖尔伯格和克里斯·沃尔特就利用这个巨大的探测器进一步探索中微子振荡的本质，试图确定中微子振荡的方式和时间，以及这对我们理解物理学意味着什么。
在日本的超级神冈中微子实验中，研究人员乘船去检查单个光电倍增管，这些光电倍增管可以探测到中微子与水相互作用时产生的光爆发。资料来源:东京大学宇宙射线研究所神冈天文台。
周三,Scholberg和沃尔特和杜克中微子物理学家菲利普·s . Barbeau会告诉中微子振荡的故事演讲题为“猎鬼,一个50000吨的地下探测器发现中微子的多变的性质改变了我们对宇宙的看法,”提出的21世纪自然科学讨论会。
为了准备这次演讲，肖尔伯格与研讨会组织者罗特姆·本-沙哈尔(Rotem Ben-Shachar)讨论了中微子的性质，是什么让它们如此难以捕捉，以及它们教会了我们宇宙中物质的起源。
什么是中微子?
中微子，有时被称为“ghost粒子，”是已知的“elementary”粒子之一:不像原子，它们不是由任何更小的东西组成的。中微子是特殊的，因为它们是中性的，这意味着它们不带电荷，而且它们与物质的相互作用极其微弱。它们的质量也非常小:中微子的质量不超过电子的1/50万。由于中微子的质量很小，所以它的传播速度接近光速。中微子有三种形式:电子、介子和tau。
为什么中微子如此难以捕捉?
中微子只通过弱力
2相互作用。这是已知的四种力之一，其他的是引力、电磁力和把原子核连在一起的强力。正如你可能从名字中猜到的那样，弱力是非常微弱的，这意味着中微子几乎从来没有与物质发生过相互作用。大多数情况下，它们只是直接穿过物体而不留下任何痕迹。偶尔，它们会相互作用，留下一个带电粒子，你可以检测到。为了使“catch” a中微子
2能够探测到与
2的相互作用，你需要大量的中微子，或者一个巨大的探测器，或者两者兼备。例如，超级神冈德是巨大的，但我们每天只能在探测器中看到大约10个高能中微子。在地球表面，宇宙辐射很容易淹没如此微弱的信号，因此中微子探测器通常建在地下，在那里它们可以免受宇宙辐射。
当我们能捕捉到中微子时，我们能从中学到什么?
杜克大学的科学家们悬浮在超级k探测器内。
像我们这样的粒子物理学家试图理解物质和能量的基本性质:我们的目标是了解宇宙是由什么构成的，以及它的组成成分是如何相互作用的。我们对宇宙学也感兴趣。整个宇宙的历史和进化。为了理解大爆炸之后发生了什么，以及为什么宇宙看起来像今天这样，理解基础物理是至关重要的。例如，没有人知道为什么宇宙主要由物质构成，而不是反物质，反物质的性质与物质非常相似，但电荷相反。对中微子的研究可以让我们深入了解诸如此类的许多问题。
我们对中微子探测器的具体了解取决于中微子的来源、中微子的类型以及中微子的传播距离。例如，在Super-K，我们可以探测到来自宇宙射线碰撞的中微子，来自外层空间的高能粒子，与上层大气的碰撞。这些中微子在地球上传播:有些中微子传播的距离很短，有些中微子则从地球的另一端一路传播过来。我们所观察到的是，当中微子在
2中传播时，它们会从一种味道变化到另一种味道。
2015年诺贝尔物理学奖授予超级神冈德中微子天文台和萨德伯里中微子观测站的中微子振荡发现。为什么这个发现如此重要?
中微子在
2轨道上振荡的发现改变了它们的味道
2告诉我们中微子的质量是非零的。这是一个非常基本的信息。它完全改变了中微子在粒子物理标准模型中所扮演的角色，事实上，我们仍然不知道如何将具有质量的中微子准确地放入图像中;如何做到这一点取决于中微子和反中微子是否真的是相同的粒子。
中微子质量对宇宙学也很重要。由于中微子有质量，我们知道它们构成了宇宙中一些未知的暗物质，但我们现在也知道中微子只能构成暗物质的一小部分。中微子振荡的确切方式也很重要，因为这取决于自然界的基本参数。
超级神冈探测器中候选电子中微子事件的三维显示。每个彩色点代表一个探测器，当电子中微子与探测器相互作用时产生的光击中了它。
你的研究是如何建立在中微子振荡的发现之上的?
“超级k”和“SNO”在大气和太阳中微子中发现了振荡现象，这一发现现已得到了其他多项实验的证实。在过去20年里，we’ve在改进我们对中微子振荡的理解方面取得了巨大的进展。我们在杜克大学T2K (“Tokai to Kamioka”)进行的一项实验，将一束高能中微子从300公里外的加速器发射到超级k。这个实验发现了中微子新的振荡特性，并将在未来几年继续收集数据。
我们有三个中微子，但我们不知道是两个更重的中微子和一个更轻的中微子，还是两个更轻的中微子和一个更重的中微子，这关系到大局。我们不知道中微子振荡和反中微子振荡的发生是否不同。我们不知道中微子和反中微子是否真的是相同的粒子。这些问题的答案可能有助于我们理解物质的起源。下一代束流实验DUNE将向南达科他发射一束中微子，距离费米实验室1300公里。如果幸运的话，我们还将捕捉到超新星爆发的中微子。
21世纪自然科学讨论会将于4月13日星期三下午4:30在杜克大学的格罗斯大厅107室举行。
作者:Kara Manke
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://researchblog.duke.edu/2016/04/12/ghost-hunters-duke-physicists-track-the-changeable-neutrino/