中微子是最奇特的基本粒子。中微子似乎無視通過更好理解的粒子種類（例如電子和夸克）所設定的所有先例。幾十年來，中微子一直是令人煩惱，輕巧，狡猾，極難發現。即使在今天，中微子的基本特性仍有爭議。一些關鍵問題涉及它們微弱物質的起源，中微子反物質的性質和存在的中微子物種的數量，更不用說它們在飛行中轉換身份的傾向。揭示中微子的真實本質可能為更加統一的物理學理論鋪平道路。
很少有物理學家有幸將新的基本粒子帶入世界。然而，當沃爾夫岡·保利在1930年提出中微子的想法時，內心的疑慮緩和了他的反應。「我做了一件可怕的事，」保利後來告訴他的同事。「我假設了一個無法檢測到的粒子。」中微子確實難以捉摸 - 它的幽靈本質使它能夠穿過幾乎所有的物理障礙，包括物理學家在粒子探測器中使用的物質。事實上，大多數中微子乾淨地穿過地球，而不是刷過另一個粒子。然而，保利的恐懼被輕微誇大了：中微子可以被發現 - 雖然這樣做需要付出巨大的努力和實驗性的聰明才智。
中微子也是其他基礎粒子中最奇特的。它們不構成原子，也不與化學有任何關係。它們是唯一的電中性粒子。它們非常輕，不到下一個最輕的物質成分 - 電子的百萬分之一。而中微子，比其他粒子更多，變形; 他們在三個品種之間轉移，或「味道」。
80多年來，這些微小的顆粒讓物理學家們不斷驚訝。即使在今天，關於中微子的基本問題仍然沒有答案：中微子只有三種味道，還是存在更多？為什麼所有中微子都如此輕巧？中微子是他們自己的反物質對應物嗎？為什麼中微子會以如此神奇的神韻轉變角色？
在世界各地 - 粒子碰撞器，核反應堆，廢棄礦井中 - 可以解決這些問題的新實驗正在上線。他們提供的答案應該為自然的內在運作提供必要的線索。
中微子的奇怪之處使得它成為一個指導粒子物理學家在一個令人生畏的航行中走向一個所謂的大統一理論的lodestar，它描述了除了引力之外的所有粒子和力，在一致的數學框架中。粒子物理學的標準模型，迄今為止的粒子和力的最佳理論，不能適應中微子的所有複雜性。必須延長。
建立標準模型中微子段的最流行的方法是引入稱為右手中微子的新實體。用電是電荷的一種變體，它決定了粒子是否感受到弱相互作用，這是造成放射性衰變的原因; 一個粒子必須是左手才能感受到微弱的力量。因此，這些假設的右手粒子比他們的左撇子，即實驗證明的標準模型的中微子更加滑溜。所有的中微子都被歸類為輕子 - 擴展的粒子族，也包括電子 - 意味著他們感覺不到原子核中質子和中子的強力。由於缺乏電荷，中微子也不會直接感受到電磁力。
如果存在右手中微子，它將為另一個中微子謎題提供一個非常合理的解釋：三個左手變種 - 電子，μ子和tau中微子 - 都具有如此微小的質量。
大多數基本粒子通過與無處不在的希格斯場相互作用而獲得質量。（希格斯在三月份成為頭條新聞時，大型強子對撞機（LHC）的物理學家在日內瓦附近的歐洲核子研究中心宣布結果強烈表明2012年確定的新粒子確實是長期尋找的希格斯玻色子。該玻色子是希格斯的粒子對應物正如光子是電磁場的對應物一樣。在這個過程中，希格斯帶走了粒子的弱電荷版本的電荷。因為右手中微子缺乏這種電荷，它們的質量不依賴於希格斯場。相反，它可能會在大規模統一的極高能量下完全出現在一個不同的機制中，這將使右手中微子極為沉重。
量子效應可以將右手中微子與其左手兄弟姐妹聯繫起來，其方式會導致巨大質量的中微子「感染」另一個。然而，傳染性將非常微弱 - 如果右手中微子感染了肺炎，那麼左撇子只能輕微咳嗽 - 這意味著左手腫塊會很小。這種關係被稱為蹺蹺板機制，因為較大的質量會提升或提升較小的質量。
中微子質量的另一種解釋來自超對稱性，超標準模型之外的新物理學的主要候選者。在超對稱假設中，標準模型中的每個粒子都有一個尚未發現的夥伴。所謂的超級共聚物顆粒，必須非常龐大，迄今為止沒有檢測到，它會立即使基本顆粒的數量增加一倍。如果存在超對稱粒子，LHC可能能夠生產它們並測量它們的性質。
超對稱性的最吸引人的特徵之一是被稱為中性的超級粒子成為暗物質的優良候選物 - 星系和星系團中的質量，它們發射引力但不發光或以其他明顯的方式顯示自身。只有在長時間穩定的情況下，中性蛋白才適合暗物質，而不是迅速衰減到其他顆粒。
因此，短命的中性蛋白會將暗物質研究人員送回繪圖板，但可以證明對中微子物理學家來說是一個福音。中性蛋白的穩定性取決於一種稱為R-奇偶性的假設性質，它可以防止超級分子腐爛成任何普通的標準模型粒子。然而，如果R-奇偶性不成立，則中性變得不穩定 - 其衰變部分取決於中微子的質量。
我們兩個人（Hirsch和Porod）與西班牙瓦倫西亞大學的JoséValle和葡萄牙裡斯本技術大學的JorgeC.Romo合作，表明中微子和中性之間的聯繫可以在LHC。如果中性蛋白的穩定性確實取決於中微子，那麼中性蛋白的壽命可以從已知的中微子性質中預測。事實上，超級粒子應該存在足夠長的時間，物理學家可以追蹤它的整個生命周期 - 從生產到衰變 - 在大型強子對撞機的探測器內。
什麼是反物質？
對中微子微量質量的所有合理解釋都指向未開發的物理領域。然而，其中一種解釋，即蹺蹺板機制，也可能對於物質是如何控制反物質的神秘感 - 一種能夠形成宇宙結構並最終形成生命發展的勝利。
標準模型中的每個粒子都有一個反物質對應物，一種具有相反電荷的Bizarro World版本。例如，電子的電荷為-1，而反電子或正電子的電荷為+1。當電子和正電子碰撞時，它們的電荷抵消，並且粒子在一陣輻射中湮滅。右手中微子的完全無電荷可能具有重要的後果：它可能意味著，對於中微子，物質和反物質是同一個。在物理學術語中，電子和正電子被稱為狄拉克粒子。另一方面，作為其自身反物質對應物的粒子是Majorana粒子。
如果蹺蹺板理論準確地反映了粒子世界的運作，那麼左手中微子不僅受到質量的感染，而且受到右手中微子的馬約拉納的感染。換句話說，如果一些中微子是他們自己的反粒子，那麼所有的中微子都是。
中微子和它們的反粒子是同一個，會產生各種令人著迷的含義。例如，中微子可以觸發粒子和反粒子之間的過渡。在大多數粒子反應中，所謂的輕子數，或輕子數減去反對子的數量，是保守的 - 它不會改變。然而，中微子可能違反這一規則，造成物質和反物質的不平衡。對於我們人類來說，不平衡是一件非常好的事情，因為如果物質和反物質在大爆炸之後同樣配對，它們就會完全消滅，並且不會留下任何東西來建造星系，行星和生命形態。物質學家和宇宙學家長期以來一直沒有解釋物質對反物質的支配地位。
消失法案
中微子與它們的反粒子之間的聯繫不必在誘人的範圍內萎縮，而是最終未解決的理論。過去和現在的許多實驗都試圖通過尋找一種稱為核雙β衰變的放射性事件來確定地回答中微子是否實際上是他們自己的反粒子。
中微子和反中微子首先在核β衰變中觀察到，其中原子與反中微子一起發射電子。在幾種核同位素中，兩種β衰變可以同時發生，在正常情況下，它們會發射兩個電子和兩個反中微子。然而，如果中微子是Majorana粒子，那麼在第一次衰變中發射的相同的反中微子可以在第二次衰變中被吸收。結果是雙β衰變，不會發出任何中微子或反中微子。在瞬間，以前沒有輕子，兩個輕子（電子）出現沒有他們通常的平衡反輕子（反中微子）。換句話說，這種所謂的中微子雙β衰變違反了輕子數的守恆。
目前，對中微子雙β衰變的研究是我們對Majorana中微子的最佳測試，特別是對於輕子數量的違反。原則上，中微子雙β衰變實驗很簡單：收集核同位素如鍺76，其中同時發生β衰變，並等待中微子無伴隨的兩個電子的出現。然而，在實踐中，實驗非常困難。任何類型的雙β衰變都是非常罕見的，因此實驗者必須收集大量的鍺或其他原料，以期有記錄中微子的變種。更糟糕的是，從宇宙射線下降到地球上的恆定亞原子粒子流往往會淹沒來自雙倍β衰變的微小信號。
不幸的是，迄今為止，來自義大利海德堡 - 莫斯科雙β衰變實驗的中微子雙β衰變的唯一報導一直受到其他物理學家的激烈爭論。剛開始接收數據或正在建設中的下一代探測器將進行更徹底的搜索。新墨西哥州的一項名為EXO-200的實驗以及日本名為KamLAND-Zen的實驗最近公布了他們搜索中微子雙β衰變的第一個數據，該數據引起了先前聲明的摩擦，但沒有明確地將其排除在外。
義大利的GERDA實驗於2011年上線，使用與海德堡 - 莫斯科設置相同的同位素，改進設計旨在直接面對其前任有爭議的發現。EXO-200和KamLAND-Zen實驗都在繼續運行，並且計劃在2014年開始在義大利開展一項名為CUORE的儀器。目前正在進行的高級實驗數量為中微子雙β衰變提供了非常合理的希望。可能會在本十年結束前得到確認。
輕型切換器
找到一個尚未發現的中微子或證明中微子和反中微子是同一個將為這些已經令人費解的粒子增添一層全新的陰謀。但是，即使我們的物理學家正在尋找這些粒子的新方面，我們仍然在努力解決中微子的一個有據可查但很難理解的屬性的機制 - 他們強烈的變形傾向。在文獻中，我們說，與夸克的味道（構成質子和中子的基本粒子）之間的混合相比，輕子味違反或中微子混合的量很大。
世界上許多研究小組正在研究新構想的自然對稱性 - 顯然不同的力和粒子之間的關鍵共性 - 可以解釋這種行為。一個例子是已知粒子從一個粒子轉換到另一個粒子的方式所固有的對稱性。加爾各答薩哈核物理研究所的Gautam Bhattacharyya，德國多特蒙德技術大學的Philipp Leser以及我們其中一人（Ps）最近發現，這種對稱性會顯著影響希格斯場。風味交換夸克和中微子與希格斯場的相互作用將體現在希格斯玻色子的外來衰變產物中，這些產物應該在大型強子對撞機上觀察到。這樣的信號可能指向中微子過度活躍的嬗變的潛在機制，
與此同時，一系列不同的實驗正在確定粒子切換身份的頻率。日本的T2K，明尼蘇達的MINOS和義大利的OPERA等長基線實驗探測到數百公裡以外的粒子加速器產生的中微子束，以測量中微子穿過地球長距離時的味道變化。這些實驗的規模如此之大，以至於中微子可能在他們的旅程中穿越國家線或甚至國際邊界。（2011年，當合作的物理學家宣布他們的實驗中的中微子似乎從光速傳輸到地下義大利實驗室的速度比光速快 - 這種測量很快證明是有缺陷的時候，OPERA發布了新聞。）距離中微子實驗，法國的Double Chooz項目，中國的大亞灣反應堆中微子實驗和韓國的RENO都測量了來自核反應堆的中微子的短程振蕩。
僅在2012年，這些實驗最終確定了所謂的混合角度的最後和最小 - 控制中微子味道之間轉變的參數。被固定的最終混合角度（稱為反應堆角度）描述了電子中微子或反中微子在短基線上的轉換概率。反應堆角度的測量開啟了未來中微子實驗可能能夠比較中微子和反中微子的性質的可能性。粒子與其反物質對應物之間的不對稱性將被稱為CP違反，並且隨著對中微子雙β衰變的研究，可能會對我們宇宙中物質多於反物質的原因產生疑問。
在正在進行的搜索中，T2K可能第一次有機會看到CP違規的提示。但是，在接下來的關鍵中微子問題的新一代實驗中，這場比賽正在進行 - 它有望令人興奮。目前正在美國建造的長基線NOvA實驗也有可能揭示中微子的CP侵犯。NOVA將從伊利諾斯州巴塔維亞的費米國家加速器實驗室發射一顆中微子光束，穿過威斯康星州和蘇必利爾湖的尖端，到達810公裡外的明尼蘇達州阿什河的探測器。中微子將在不到3毫秒的時間內完成旅行。
在其研究目標中，NOvA還旨在闡明中微子質量等級 - 確定哪個中微子是最輕的，哪個是最重的。目前，物理學家只知道至少有兩種中微子物種具有非零質量，但是，正如這些幽靈粒子的許多方面一樣，細節無法實現。
徘徊不解的秘密
由於正在進行如此多的中微子實驗 - 具有不同的目標，不同的設計和不同的粒子源 - 來自全球各地的各種數據有時會產生相互矛盾的解釋。最誘人的以及有爭議的實驗暗示之一表明存在一種稱為無菌中微子的新粒子。
回應Pauli在1930年的恐懼，無菌的中微子只能間接檢測到，就像蹺蹺板機制中更重的右手中微子一樣。（然而，從理論的角度來看，這兩個提出的粒子幾乎是相互排斥的。）然而，兩個實驗可能已經捕獲了無菌中微子的氣味。在20世紀90年代在洛斯阿拉莫斯國家實驗室運行的LSND發現了一種早期但有爭議的證據，證明了一種難以捉摸的中微子味轉換 - μ子反中微子變成電子反中微子。費米實驗室的MiniBooNE於2007年開始產生科學成果，也暗示了這種轉變。然而，LSND和MiniBooNE振蕩並不完全符合標準的三中微子圖像。
量子力學允許中微子在味道之間振蕩，只要它們具有質量 - 並且只有當每種味道具有不同的質量時。各種中微子質量可以觸發中微子轉換來解釋LSND和MiniBooNE異常，但只有當除了已知的質量差異之外還存在另一個質量差異時 - 換句話說，只有存在四種中微子類型而不是三種。與弱力相關的另一個中微子耦合會使Z玻色子 - 弱力衰減的載體太快，因此這個粒子根本不會與弱力相互作用。因此，「無菌」的名稱：這個假設的中微子幾乎完全與粒子動物園的其餘部分分離。
從附近的核反應堆捕獲中微子的另一種類型的探測器也發現了可能指向無菌中微子的驚人結果。來自幾個反應堆實驗的數據表明，電子反中微子在非常短的距離內異常消失，如果用中微子振蕩來解釋，則意味著存在無菌中微子。異常已存在一段時間，但最近重新計算各種反應堆的中微子輸出已經加強了新粒子的情況。
無菌中微子的證據，例如它，仍然是粗略的，間接的和矛盾的 - 所有這些都是為了追求一個眾所周知的難以捉摸的，甚至可能不存在的粒子。然而MiniBooNE和一個名為MicroBooNE的伴侶實驗，現在正在費米實驗室正在建設中，可能很快就會有更強硬的話題。並且正在討論將研究反應堆異常的新一批擬議實驗。
值得注意的是，強大的大型強子對撞機和相對低能耗的中微子實驗為探索自然的內在運作提供了這樣的補充途徑。在沃爾夫岡·保利（Wolfgang Pauli）設想他的「無法探測到的粒子」之後的80多年裡，中微子繼續密切關注他們的秘密。儘管如此，揭開這些秘密的潛在收益證明了長達數十年的努力，以進一步撬動中微子的私人生活。