30年之谜
三十年来，物理学家一直对涉及中微子的实验中持续存在的差异感到困惑——中微子是一种几乎不与物质相互作用的幽灵粒子。所谓的“镓异常”最早出现在20世纪90年代，当时使用镓（一种柔软的银白色金属）的探测器持续观测到的中微子数量少于理论预测。这种短缺暗示可能存在一种新型粒子，或许是惰性中微子，这将对我们理解宇宙产生深远影响。但一项新研究表明，这种异常可能有一个更平凡的原因：用于校准这些实验的计算反应速率存在误差。
镓异常解释
基于镓的中微子探测器利用特定的核反应：当中微子与镓-71原子核相互作用时，可以转变为锗-71，并发射一个电子。通过测量锗的产生速率，科学家可以推断中微子通量。然而，自20世纪90年代以来，GALLEX和SAGE等实验报告称，预期中微子数量存在约10-20%的赤字。这一赤字最初被归因于可能存在惰性中微子——一种仅通过引力相互作用而不通过弱核力相互作用的假想粒子。如果惰性中微子存在，它们可能与普通中微子振荡，导致探测率降低。
但由一组物理学家发表的新研究提供了不同的解释。他们认为，基于核物理模型的中微子捕获率理论计算可能略有偏差。通过修正这些计算，异常可能会完全消失，而无需新物理。
重新审视核物理
该团队专注于所谓的“贝特-海特勒”过程，该过程描述了中微子如何与原子核相互作用。特别是，他们使用近期核实验的更精确数据重新评估了截面——中微子与镓原子核相互作用的概率。他们发现，先前使用的截面值被高估了，导致预期中微子数量过高。当他们修正这些值时，预测的中微子数量与观测值在实验不确定度范围内相符。
这一发现意义重大，因为它表明镓异常可能并非惰性中微子的证据。相反，它凸显了精确核数据在解释中微子实验中的重要性。该团队的计算基于对镓和锗同位素核结构的详细分析，使用了最先进的理论模型和粒子加速器的实验数据。
对中微子物理的影响
如果新的解释是正确的，它将解决一个长期存在的差异，并排除惰性中微子的少数线索之一。惰性中微子是暗物质的热门候选者，可以解释粒子物理学中的各种异常，但其存在仍未得到证实。新研究并未明确排除惰性中微子，但它消除了镓异常作为其证据。
然而，并非所有物理学家都信服。一些人认为，修订后的计算可能引入新的不确定性，异常仍可能是新物理的标志。其他人指出，其他实验，如MiniBooNE和LSND，也报告了可以用惰性中微子解释的异常。尽管如此，新研究提供了一种合理且可检验的替代解释。
未来实验
争论可能会继续，但未来的实验可能有助于解决它。例如，BEST（巴克桑惰性跃迁实验）实验使用强大的人工中微子源，已经提供了可以用新计算重新分析的数据。此外，即将进行的实验如JUNO和Hyper-Kamiokande，旨在精确测量中微子性质，可能提供进一步的见解。
新研究还强调了更精确核数据的必要性。随着中微子实验变得更加灵敏，底层核物理的准确性变得越来越关键。这项工作表明，即使是看似充分理解的过程也可能包含微妙的错误，导致重大误解。
结论
30年中微子失踪之谜可能终于得到解决，不是通过发现新粒子，而是通过完善我们对已知物理的理解。虽然惰性中微子的存在仍然是一个悬而未决的问题，但这项研究表明，仔细关注核细节可以解决明显的异常。随着领域的发展，核物理与粒子物理之间的相互作用将继续成为发现的丰富源泉。
本文基于《新科学家》的报道。阅读原文。
Originally published on newscientist.com