What Could Explain the Gallium Anomaly?
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欢迎收听“Quanta科学播客”。每一期，我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。物理学家已经排除了对一项古老的苏联实验的奇怪发现的普通解释，这使得结果指向一种新的基本粒子的可能性仍然存在。接下来就是这个。

这是《为什么的快乐》的第三季，我仍然有很多疑问。比如，我们称之为时间的东西是什么？利他主义为什么存在？简十一在哪里？我在这里，我是天体物理学家兼联合主持人，随时准备应对任何事情。没错。我带来了A队。所以做好准备。准备好学习吧。我是简十一。我是史蒂夫·斯特罗加茨。这是……量子杂志的播客，《为什么的快乐》。每隔周四都会发布新的剧集。

在高加索山脉深处，在俄罗斯和格鲁吉亚的边界上，一项不同寻常的实验正在进行。在一个地下实验室里，被一座大山所屏蔽，高放射性物质位于一桶液态镓中，喷射出称为中微子的粒子，这些粒子将镓分解成锗原子。目标是解决一个鲜为人知的物理学谜团：镓异常。

本·琼斯是德克萨斯大学阿灵顿分校的中微子物理学家。就目前而言，并没有真正令人信服的、可用的解释。我个人真的很想知道是什么原因造成的。这就是为什么我认为这是一个特别令人兴奋的异常现象。大约三十年前，在当前实验的早期版本中，科学家们首次检测到预期的锗原子数量不足，这仍然无法解释。

从那时起，物理学家们一直在努力排除可能解释这种异常现象的可能的错误测量或不准确之处。现在他们又排除了一种。

埃里克·诺曼是加州大学伯克利分校的核物理学家。他和他的同事宣布，一种可能的解决方案，即对锗的半衰期进行不正确的计算，不可能是原因。这不是镓异常的解释。并不是半衰期错了。半衰期是正确的，因此一定有其他解释。这使得可能性很少。

一种是某种仍然未知的实验缺陷导致了这种异常现象。也许不同的测量误差导致了偏差，或者是对核物理学的误解。或者，也许，这种异常现象指向一项具有里程碑意义的发现，即一种称为惰性中微子的新型基本粒子的存在。

最初提出惰性中微子是为了解释为什么三种已知中微子的质量如此之小，但它们也可以解释至少一部分填充宇宙的不可见的暗物质。

弗拉迪斯拉夫·巴拉诺夫是俄罗斯科学院核研究所的粒子物理学家。他在高加索地区进行实验。我们无法在我们的实验程序和理论计算中找到一些未来的确定性。这对未来的中微子实验来说是一个挑战。是新型中微子吗？

巴拉诺夫说我们不知道。在冷战的高峰时期，在1989年柏林墙倒塌和随后苏联解体之前，一个不太可能的伙伴关系以一项名为SAGE（苏美镓实验）的实验的形式出现。

斯蒂芬·埃利奥特是洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家。他参与了这个项目。当然，苏联拥有一批非凡的，特别是理论科学家。我认为最初的建议来自苏联。在80年代末和90年代，苏联拥有极好的原材料和人力资源，

但无法获得他们想要用于实验的硬通货和一些技术。洛斯阿拉莫斯能够提供这些类型的资源，先进的计算，数字化，等等。SAGE建在巴克桑中微子天文台，这是一个在20世纪60年代和70年代建造的中微子物理设施。

一座13000英尺高的山脉将该设施与宇宙射线和其他噪声源隔离开来，允许进行精确的中微子实验。

附近一个名为中微子村的住宅区居住着在该设施工作的科学家的家人，以及埃利奥特这样的国际访问科学家。记住，这是冷战时期。那时我还很年轻。我想我把它当作一次冒险。我从来不怕。他们非常热情好客。

SAGE于1989年开始，持续了20多年。尽管俄罗斯政府试图出售其镓（一种在室温下呈液态的贵金属）。

该项目旨在调查太阳中微子问题，即从太阳流出的中微子数量的测量不足。具体来说，科学家们发现三种已知类型或风味之一的电子中微子短缺。这个问题最终在21世纪初通过诺贝尔奖获得的发现得到解决，该发现表明中微子在传播过程中会在风味之间振荡。

当太阳中的许多电子中微子到达地球时，它们已经变成了其他东西。SAGE使用了一个装有57公吨镓的罐子。进入的电子中微子偶尔会与镓原子内的中子结合并将其转化为质子，从而将镓转化为锗。

科学家们在一个月的提取过程中计算了锗原子的数量。埃利奥特说，他们选择镓进行实验是有特定原因的。它对这个反应的阈值很低。一项类似的实验于1991年在意大利开始，称为GALX。在20世纪90年代中期，研究人员调整了这两个实验，以使用来自放射性元素的中微子。他们希望避免与太阳中微子问题相关的未知错误。

但这两个实验产生的锗都比预期少约20%。这些是令人惊讶的结果，不可能是由太阳中微子问题引起的。洛斯阿拉莫斯国家实验室的核物理学家金仁旭说，科学家们精确地知道源活动以及产生了多少中微子。

很快，这个令人费解的差异有了个名字：镓异常。这是巴里诺夫说的。这真是令人惊讶。2014年，在巴克桑开始了一项后续实验，称为巴克桑惰性跃迁实验（BEST）。

该实验使用两个而不是一个镓室来确定中微子源的距离是否可以解释这种异常现象。自2015年以来一直参与该实验的巴里诺夫说，BEST的建造是为了解决这种紧张关系。但这两个腔室相对于模型预测的结果仍然显示出不足。巴里诺夫称之为一个非常不寻常的结果。

BEST的重复结果直到2022年仍在显示这种异常现象。一个腔室只包含了预期锗量的79%，另一个只包含了77%。

加州大学伯克利分校的理论物理学家威克·哈克森说：我认为每个人都希望它通常会消失，因为我们不需要它。但我们理论家仍然对第四代中微子、一些尚未被观测到的惰性中微子的可能性感到好奇。我们仍然没有对正在发生的事情有任何清晰的理解。那么这里可能发生了什么？

有些人提出了一种可能的解释，即在1985年测得为11.43天的锗-71（实验中产生的特定同位素）的半衰期实际上更长。相同的常数控制着锗-71的衰变速率和镓捕获中微子产生该锗的速率。

这意味着更长的锗-71半衰期意味着较低的捕获中微子的速率，因此锗的产量也较低。这可以解释SAGE、GALX和BEST观察到的锗缺乏。诺曼和他的同事在5月底的《物理评论C》上发表了对这一半衰期的重新研究。

他们得出的半衰期为11.468天，与1985年的测量结果非常接近，排除了半衰期作为镓异常解释的可能性。

虽然没有人真正相信最初的半衰期测量结果是完全错误的，但研究人员仍然认为值得检查。中微子物理学家本·琼斯说：这是一项需要进行的测量。这项工作做得非常好。我认为这是令人信服的。另一个提出的解释是，物理学家错误地计算了来自源的中微子与镓相互作用的概率。

但在2023年9月，哈克森和他的同事们也排除了这种可能性。你无法消除这种异常现象，因为仅基态跃迁就已经给你带来了问题。这使得物理学家处于一个不舒服的位置。要么仍然存在一些没有人想到的错误，要么，正如哈克森所说，中微子发生了不寻常的事情。

例如，这些实验可能指向一种有争议的额外类型的中微子，这种中微子在大多数其他实验中都没有被检测到，它也可能有助于解释暗物质。三种已知的“风味”中微子，它们都比电子轻数百万倍，通过弱力与其他基本粒子相互作用，这使得它们可以被检测到。

但惰性中微子只会通过引力相互作用。如果它们的质量远大于已知的中微子，那么它们的存在可以通过大约1980年假设的称为跷跷板机制的反比关系来解释为什么已知的中微子如此轻。但镓异常将指向更轻的惰性中微子。

电子中微子有时会由放射源发射，振荡成不会与镓相互作用的惰性中微子。在一些模型中，轻型惰性中微子可以构成宇宙暗物质的一部分，但不是全部。它们太轻，无法像暗物质那样以引力方式塑造宇宙。

麻省理工学院的实验核和粒子物理学家林德利·温斯洛说，它们可能是其中的一小部分。

通过研究中微子振荡模式来寻找惰性中微子的其他尝试大多没有成功。温斯洛说：有一小部分人真的相信，他们可能是对的，惰性中微子确实存在。我认为几年前，认为惰性中微子存在的人会更多，而现在这个群体正在缩小。加州大学欧文分校的天体物理学家克沃克·阿巴扎扬称它们为粒子物理学界的“弱者”。

他说，如果它们确实存在……这种规模的惰性中微子……

将会对早期宇宙造成严重破坏。这包括关于原子在大爆炸后几分钟内如何形成的想法，以及宇宙微波背景（初始宇宙膨胀的残余热量）的理论。阿巴扎扬说，你应该会看到这种额外中微子的存在。然而，阿巴扎扬说，最近的研究表明，那些最初几分钟内事件序列的替代模型可以容纳轻型惰性中微子。

由于缺乏对镓异常的其他解释，轻型惰性中微子仍然是一种我们无法消除的可能性。

核物理学家斯蒂芬·埃利奥特说：我一直对惰性中微子假说有点怀疑，但我无法告诉你为什么它不对。从来没有令人信服的解释说明为什么实验可能是错误的。埃利奥特说，俄罗斯入侵乌克兰使情况复杂化，但美国和俄罗斯在BEST上的合作目前仍在继续。

巴里诺夫说，巴克桑的团队正在考虑使用新的中微子源（如锌）来进一步测试结果。他们甚至可能在源周围建造第三个镓室。目前，这种异常现象仍然未解，地平线上没有出现解决的迹象。或者，正如理论物理学家威克·哈克森所说：“这让我们所有人感到困惑。我认为对所看到的情况没有任何简单的解释。”

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息，请阅读乔纳森·奥卡拉汉的完整文章《什么可以解释镓异常》，网址为quantummagazine.org。量子杂志是一个编辑独立的在线出版物，由西蒙斯基金会支持，以增强公众对科学的理解。