大亚湾与MINOS实验联合缩小惰性中微子存在的窗口

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​    惰性中微子是否存在?这是粒子物理中最紧迫的问题之一。

    10月7日,大亚湾中微子实验与Main Injector Neutrino Oscillation Search(简称MINOS)实验两个大的国际合作组联合发表论文(Phys.Rev.Lett.117.151801),进一步排除了惰性中微子存在的空间。 

  上世纪九十年代,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Liquid Scintillator Neutrino Detector(简称LSND)实验在研究中微子振荡时发现了一种新的中微子存在的迹象,它不属于我们熟知的三种类型——电子中微子、缪中微子、或陶中微子。LSND实验公布了缪中微子振荡到电子中微子的证据,但振荡的频率比2015年获诺贝尔奖的超级神冈实验发现的要快得多。振荡的频率正比于两种中微子质量的平方差。如果LSND的结果是对的,唯一的解释是存在第4种中微子,同时这种中微子必须比所有其它粒子奇怪得多——我们称之为“惰性”,即它除了引力外,不与其它物质发生任何相互作用。假定惰性中微子存在,也能解释天体物理和宇宙学中存在的一些困惑。 

  过去二十年中,不少实验试图证实或否定LSND的发现,但未能得出明确结论。大亚湾和MINOS实验新发布的结果,表明无法用惰性中微子来解释LSND的结果。 

  MINOS实验从芝加哥附近的费米实验室发射缪中微子,在735公里外明尼苏达州北部的苏丹地下实验室来探测。此前,MINOS已对中微子在长距离飞行中发生的振荡做出了高精度测量。如果存在惰性中微子,部分缪中微子将会消失得更快,而科学家们发现这种情况并没有发生(Phys.Rev.Lett.117.151803)。大亚湾实验位于中国广东省,测量从邻近核反应堆飞出的电子反中微子。大亚湾实验观察到了反应堆中微子的丢失,首次测量了相关的中微子振荡参数,以此获得了2016年基础物理学突破奖。惰性中微子也将影响大亚湾的测量,可能在中微子能谱上形成有规律的波动,大亚湾的科学家也没有发现这种现象(Phys.Rev.Lett.117.151802)。

  不过,来自大亚湾和MINOS的结果都不足以解决二十年来LSND实验留下的困惑,同时研究不同类型的中微子将给出更强的限制。LSND实验观察到的是缪型反中微子转变为电子型反中微子,因此,大亚湾实验和MINOS实验联合起来,同时研究这两种类型的中微子。两个大型中微子实验的紧密协作是比较少见的,但成果很显著,很有力地排除了绝大部分用惰性中微子振荡来解释LSND结果的物理模型。 

    联合分析结果也大幅缩小了轻惰性中微子隐藏的空间。该论文被精选为《物理评论快报》编辑推荐,与大亚湾和MINOS各自搜寻惰性中微子的论文发表在同一期杂志上。大亚湾与MINOS实验正在继续分析数据,有望给出更灵敏的结果。

实验数据图实验数据图