一个多世纪以来，科学家们一直对隐藏的微小空间维度可能影响我们熟悉的三维世界的物理学的可能性着迷。然而，尽管进行了数十年的实验研究，但尚未有这些额外维度存在的具体证据。现在，最近的一项研究提出了一种推进这一搜索的方法：利用即将进行的深层地下中微子实验（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，因此赢得了“中微子”的绰号。中微子有三种已知类型（或“风味”），每一种的质量都比电子小数十亿倍。这些粒子在穿越太空时，即使不与其他粒子相互作用，也能转化（或振荡）成不同的风味，其能力非常出色。
使用 DUNE 研究中微子
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，中微子由费米实验室（伊利诺伊州）的粒子加速器产生，传播距离为 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。”迈赫迪·马苏德韩国中央大学教授、该研究的合著者通过电子邮件告诉《生活科学》。
该实验装置非常适合研究中微子振荡。费米实验室碰撞中产生的中微子——主要是μ子中微子（三种中微子之一）——将穿过地球到达南达科他州探测器。在此过程中，其中一些粒子预计会转变为其他两种类型：电子中微子和τ中微子。
通过观察不同味道在旅程中如何演变，《沙丘》科学家希望能够解开中微子物理学中的几个基本问题，例如中微子质量的等级、控制振荡的精确参数，以及中微子在宇宙中物质与反物质不平衡中可能发挥的作用。
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该研究发表在 11 月，提出如果除了熟悉的三个空间维度之外，还存在微米（百万分之一米）尺度的额外空间维度，那么中微子的神秘行为就可以得到解释。虽然按照日常标准来看很小，但与典型的飞米（千万亿分之一米）尺度相比，这样的尺寸却非常大。。
“大额外维度理论，首先建议的马苏德解释说，由 Arkani-Hamed、Dimopoulos 和 Dvali 在 1998 年提出，我们熟悉的三维空间嵌入在一个具有四个或更多维度的高维框架中。“该理论的主要动机是解决为什么比自然界中其他基本力弱得多。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，这种现象在宇宙中仍然无法解释。”。
研究作者表示，如果存在额外维度，它们可能会以 DUNE 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。额外维度的影响主要由其大小决定。这种依赖性为研究人员提供了一个机会，通过分析这些维度的存在方式来研究这些维度的存在。与探测器内的物质相互作用。额外维度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性质的有价值的线索。
“我们使用计算模型模拟了 DUNE 实验中几年的中微子数据，”马苏德说。 “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，沙丘实验将能够检测到尺寸约为半微米（百万分之一米）的额外维度。 DUNE目前正在建设中，预计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理论进行全面分析。该团队预计该分析的结果将在大约十年后公布。
此外，他们认为，未来，将 DUNE 的数据与其他实验方法（例如对撞机实验或天体物理和宇宙学观测）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。
马苏德说：“未来，纳入其他类型数据的输入可能会进一步收紧这些上限，从而使发现更大的额外维度变得更加合理（如果它们存在于自然界）。” “除了成为新物理学的一条令人兴奋的途径之外，潜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，而不受未解释效应的影响。”
