据美国费米国家实验室2007年4月11日报告,在美国能源部费米国家实验室从事MiniBooNE探测器实验的科学家们公布了他们的首次发现。MiniBooNE实验的观测结果解决了上世纪90年代科学家在进行液体闪烁器中微子探测器(LSND)观测实验时提出的难题,那次观测似乎同全球其它地区中微子实验的观测结果相矛盾。从事MiniBooNE实验的科研人员最终确定:液体闪烁器中微子探测器的观测结果不能归因于简单的中微子摆动效应。所谓的中微子摆动效应是一种中微子转换现象,即一种类型的中微子转变为别一种类型的中微子,然后又恢复为原来的类型。
目前,人们知道世界上存在三种类型的(或三种“风格”的)中微子:电子中微子、μ介子中微子和τ介子中微子。在过去10年中,几项试验表明中微子可以从一种类型转变为别一种类型,然后又恢复为原来的类型。液体闪烁器中微子探测器的观测结果暗示的确存在中微子摆动效应,但在中微子的质量方面与其它实验结果有很大的不同。除非存在第四种类型的,或“贫瘠的”中微子,否则很难解释为什么液体闪烁器中微子探测器的观测结果与其它中微子实验的摆动效应观测结果不一致,而且这种中微子的属性应该与其它三种标准中微子不同。这种“贫瘠”中微子的存在将引起科学家严重质疑量子物理的当前结构,即所谓的“粒子和力的”标准模型。由于这种解释将导致意义深远的结果,液体闪烁器中微子探测器的发现迫切需要进行独立的查证。液体闪烁器中微子探测器实验指出了μ介子中微子转变为电子中微子的区域,而MiniBooNE实验团队通过寻找该区域内μ介子中微子转变为电子中微子的信号,排除了那次实验中有关摆动效应的简单解释。与“双中微子”摆动效应假设所做的预测不同的是,MiniBooNE实验团队并没有发现电子中微子出现。
美能源部负责高能物理研究的科学副主管罗宾·斯塔芬说:“这对于查证和反驳令人惊讶的LSND观测结果是非常重要的。”“我们从未认识到自然为我们储备了什么。MiniBooNE实验是一项重要的工作,完成得非常出色,值得称道。”
MiniBooNE实验于1998年获得批准,从2002年起,开始利用费米实验室“助推者”加速器制造的μ介子中微子采集当前的分析数据,这一工作一直持续到2005年底。MiniBooNE探测器被安放在距离μ介子中微子生成点500米的地方,其任务是寻找μ介子中微子产生的电子中微子。这项实验的目标是确证或否定液体闪烁器中微子探测器实验所得出的令人惊讶的观察结果,从而回答困扰中微子物理界10多年的难题。MiniBooNE实验团队利用了“盲实验”技术来确保其分析和结果的可信度。在采集中微子数据时,该团队不允许自己进入“盒”区采集数据,因为他们预计将在“盒”区看到与液体闪烁器中微子探测器所看到的摆动效应信号相同的信号。近三个星期以前,当MiniBooNE实验团队打开“盒”区并使其中的数据“重见光明”时,他们并没有发现这种摆动效应信号。
以前科学家认为液体闪烁器中微子探测器的观测结果应归因于两种中微子的摆动效应。尽管从事MiniBooNE实验的科研人员已经果断地排除了这种解释,但该团队还有很多工作要做。目前,科研人员还不清楚这种明显的低能量差异的来源。“我们得到了MiniBooNE实验的结果,这是伟大的,”费米实验室主管皮尔·奥杜恩说:“它解决了一个难题,但它又给我们留下了另一道难题,理解这道难题是很重要的。”MiniBooNE团队将进一步分析他们的数据。
MiniBooNE实验的发言人之一,洛斯阿拉莫斯国家实验室的威廉·路易斯(曾参与液体闪烁器中微子探测器的初期实验)说:“正如许多量子物理实验一样,我们的结果解决了部分问题,但现时又出现了新的问题。我们生活在一个有趣的时代。”
为了便于观测,MiniBooNE使用了一种探测装置,该装置由一个装满25万加仑超纯度矿物油的油箱构成,科研人员通过一个龙头把这些比水还清澈的矿物油注入油箱。油箱内装有一个由1280个感光光电倍增管组成的感光层,这种感光层可以探测到中微子与油箱内的油分子碳原子核之间的碰撞情况。自2006年1月以来,MiniBooNE实验团队一直在利用反中微子光束采集数据,而不再利用中微子采集数据,他们期待从这些新数据中得出更多的结果。