摘要：一个多世纪以来，科学家们一直着迷于隐藏的、微小的空间维度可能会影响我们熟悉的三维世界的物理学的可能性。然而，尽管进行了数十年的实验性搜索，但尚未有具体证据表明这些额外的维度。现在，最近的一项研究提出了一种推进这种搜索的方法：使用即将到来的地下深处中微子实验 （

新的研究表明，一个名为 DUNE 的新型地下设施将在伊利诺伊州和南达科他州之间加速粒子 800 英里，它可以揭示宇宙的隐藏维度。

一名技术人员站在 CERN 建造期间的 protoDUNE 探测器内。这个装置能揭示宇宙的隐藏维度吗？ （图片来源：Max Brice/CERN）

一个多世纪以来，科学家们一直着迷于隐藏的、微小的空间维度可能会影响我们熟悉的三维世界的物理学的可能性。然而，尽管进行了数十年的实验性搜索，但尚未有具体证据表明这些额外的维度。现在，最近的一项研究提出了一种推进这种搜索的方法：使用即将到来的地下深处中微子实验 （DUNE） 通过中微子行为来探测这些隐藏的维度。

中微子是宇宙中最难以捉摸的粒子之一，因此获得了“幽灵粒子”的绰号。中微子有三种已知的类型或“味道”，每一种的质量都比电子的质量小数十亿倍。这些粒子在穿越太空时能够转化为或振荡成不同口味的能力非常出色，即使不与其他粒子相互作用也是如此。

DUNE 是即将在伊利诺伊州和南达科他州进行的中微子振荡实验。“在这项实验中，中微子是由 [伊利诺伊州] 费米实验室的粒子加速器产生的，行进距离为 1,300 公里 [800 英里]，并使用南达科他州的大型地下探测器进行观测，”韩国中央大学教授、该研究的合著者 Mehedi Masud 说。

该实验装置非常适合研究中微子振荡。在费米实验室碰撞中产生的中微子——主要是μ子中微子（三种类型之一）——将穿越地球到达南达科他州探测器。在此过程中，其中一些粒子预计将转化为其他两种口味：电子中微子和 tau 中微子。

通过观察不同口味在其旅程中如何演变，DUNE 科学家希望解开中微子物理学中的几个基本问题，例如中微子质量的层次结构、控制振荡的精确参数，以及中微子可能在造成宇宙中物质-反物质不平衡方面可能发挥的作用。

protoDUNE 探测器在 CERN 建造期间的另一视图（图片来源：CERN）

这项于 11 月发表在《高能物理学杂志》上的研究提出，如果除了熟悉的太空三维空间之外，还存在微米（百万分之一米）尺度的额外空间维度，就可以解释中微子的神秘行为。虽然按照日常标准来说很小，但与亚原子粒子的典型飞米（一千万亿米）尺度相比，这样的尺寸非常大。

Masud 解释说：“Arkani-Hamed、Dimopoulos 和 Dvali 于 1998 年首次提出的大额外维度理论表明，我们熟悉的三维空间嵌入在一个具有四个或更多维度的更高维度框架中。“该理论的主要动机是解决为什么引力比自然界中的其他基本力弱得多。此外，大额外维度理论为微小中微子质量的起源提供了潜在的解释，这种现象在粒子物理学的标准模型中仍然无法解释。

据研究作者称，如果存在额外的维度，它们可能会以 DUNE 可以检测到的方式巧妙地改变中微子振荡概率。这些扭曲可能表现为对预期振荡概率的轻微抑制，以及在较高中微子能量下的小振荡“摆动”。

在这项研究中，作者考虑了单个附加维度的情况。额外维度的效果主要取决于其大小。这种依赖性为研究人员创造了一个机会，通过分析中微子如何与探测器内的物质相互作用来研究这些维度的存在。额外的维度会影响中微子的振荡概率，这反过来又可以揭示有关其潜在存在和特性的宝贵线索。

“我们使用计算模型模拟了 DUNE 实验中几年的中微子数据，”Masud 说。“通过分析大额外维度对中微子振荡概率的低能和高能影响，我们统计评估了 DUNE 限制这些额外维度潜在大小的能力，假设它们存在于自然界中。”

该团队的分析表明，如果 DUNE 的大小约为半微米（百万分之一米），则 DUNE 实验将能够检测到额外的维度。DUNE 目前正在建设中，预计将于 2030 年左右开始数据收集。经过几年的运行，积累的数据可能足以对大额外维度的理论进行全面分析。该团队预计这项分析的结果将在大约十年后提供。

此外，他们认为，在未来，将来自 DUNE 的数据与其他实验方法（例如对撞机实验或天体物理学和宇宙学观测）相结合，将增强以更高的精度和准确度研究额外维度特性的能力。

Masud 说：“未来，整合来自其他类型数据的输入可能会进一步收紧这些上限，如果它们存在于自然界中，那么发现大型额外维度的可能性更大。“除了是新物理学的令人兴奋的途径之外，可能存在的大额外维度还可以帮助 DUNE 更精确地测量中微子物理学中的标准未知数，不受无法解释的影响。”

来源：科学那些事