在一项新的分析中，物理学家提供了迄今为止对中微子在穿越宇宙过程中如何改变“味道”的最精确描述。

在一项新的分析中，物理学家提供了迄今为止对中微子在穿越宇宙过程中如何改变“味道”的最精确描述。中微子是构成宇宙的基本粒子之一，但也是极其难以捉摸的；它们可以穿透一切，并且很难被检测到。尽管许多关于它们的性质仍然是个谜，科学家们知道中微子有三种类型：电子、μ 子和 tau。

了解这些不同的身份可以帮助科学家更多地了解中微子的质量，并回答有关宇宙演化的关键问题，包括为什么物质在早期宇宙中占据了主导地位，俄亥俄州立大学物理学助理教授佐亚·瓦拉里说。“中微子之所以真的非常有趣的原因是因为它们会改变自己的味道。”她说，“想象一下你得到了巧克力冰淇淋，走在街上，突然它变成了薄荷味的，每当它移动时，它的味道都会再次变化。”

这种现象被称为中微子振荡，它可以发生在科学家人工产生的中微子和自然产生的中微子身上。为了更好地理解这种变型行为，美国的NOvA（NuMI Off-axis νe Appearance）实验与日本的T2K实验联手，在数百英里的距离上发射中微子粒子束，并测量它们在整个旅程中的“味”的变化。

“NOvA”合作组织的主要成员之一瓦拉里现在正在俄亥俄州组建团队，帮助开发一种新的中微子探测器，该探测器预计将在本十年末投入使用。这项研究最近发表在《自然》杂志上。尽管这两个实验有相似的目标，但它们使用了不同的中微子能量，并在不同距离上研究振荡。NOvA从伊利诺伊州芝加哥附近的费米国家加速器实验室发射了一束μ中微子到明尼苏达州阿什河的远探测器，而T2K实验则从日本东海岸向西穿越整个国家，到达日本西部山区的一个探测器。

“虽然我们的目标相同，但由于我们在实验设计上的差异，在汇总数据时会获得更多的信息，因为整体大于部分。”瓦拉里说道。尽管这项研究建立在之前的研究基础上，这些研究发现了每种中微子质量存在细微但仍然非常重要的差异，研究人员寻求更深入的线索，以证明中微子是否运作于标准物理定律之外。其中一个问题是，中微子与其反物质对应物的行为是否存在差异，这种现象被称为电荷-宇称违反。如果未来的数据证实了这一点，研究人员将更接近于发现宇宙为何主要由物质构成，而不是在大爆炸后被反物质消灭。

虽然这些发现并不能最终回答中微子在宇宙结构中的作用问题，但它们确实增加了科学家对它们的认识。“我们的结果表明，我们需要更多的数据才能显著回答这些问题。”瓦拉里说道。“这就是为什么建设下一代实验如此重要。”

根据研究，将两项实验的结果结合起来使研究人员能够从不同角度掌握这些紧迫的物理问题。两项基线和能量不同的实验比单独的一项实验更有可能回答这些问题。“这项工作极其复杂，每个合作团队通常包括数百人，”俄亥俄州立大学物理学与天文学教授约翰·贝科姆说，“像这样的合作团队通常在竞争，因此他们在这里能够合作表明了这场竞赛的激烈程度。”

研究人员计划继续使用NOvA和T2K合作团队来研究中微子行为的变化，并将根据新数据更新他们的分析。从这篇论文中学到的经验教训可能为即将进行的中微子实验奠定基础，这些实验将在该领域引起变革。“粒子物理为我们提供了许多技术，但对我来说，主要的动力始终是人类的好奇心，希望了解我们的起源和在宇宙中的位置，”瓦拉里说。