科学家解读中微子的前世今生 最轻粒子藏着宇宙起源的奥秘

北京时间8月29日消息,据国外媒体报道,在一项新研究中,科学家使用了有关整个宇宙结构的数据,对宇宙中最小、最难研究的组成部分之一的质量进行测量。

▲这张照片显示的是一个圆柱形反中微子探测器的内部。每种味的中微子都相应存在一种同样电中性且自旋量子数为1/2的反中微子

中微子是一种电中性的基本粒子,已有证据显示,中微子具有质量,但相比其他亚原子粒子而言非常微小。中微子只参与引力相互作用和弱相互作用,由于弱相互作用的作用距离极短,而引力相互作用在亚原子尺度下又十分微弱,因此中微子在穿过常规物质时不会受到太多阻碍,而且非常难以检测。每时每刻,都有无数的中微子穿过我们的身体。

我们对中微子几乎一无所知,甚至不知道它们有多重。但是,在科学家看来,中微子有着改变整个宇宙形状的能力。如果它们真的具有这样的能力,我们就可以用宇宙的形状来称量它们。近日,一支物理学家团队就完成了这样的工作。

由于物理学的原因,最小粒子的行为可以改变整个星系和其他巨大天体结构的行为。如果你想描述宇宙的行为,你必须考虑到它最小组成部分的性质。在即将发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的一篇新论文中,研究人员利用这一事实,从对宇宙大尺度结构的精确测量中,反向演算出了最轻中微子的质量(有三种中微子的质量)。

研究人员从重子振荡光谱巡天中获取了大约110万个星系的运动数据,结合其他宇宙学信息,以及地球上规模小得多的中微子实验的结果,然后把所有这些信息输入一台超级计算机。

“我们使用了50多万小时的计算时间来处理数据,”该研究的合著者、伦敦大学学院天体物理学博士生安德烈·库丘(Andrei Cuceu)在声明中说,“这相当于一台处理器工作了近60年时间。这个项目突破了宇宙学大数据分析的极限。”

该研究的结果并没有为最轻的中微子的质量提供一个固定数值,但确实缩小了数值范围:这种中微子的质量不超过0.086电子伏特(eV),大约比单个电子质量小600万倍。这个数字为最轻的中微子质量设定了上限,而不是下限。作者在论文中指出,最轻的中微子可能根本没有任何质量。

物理学家目前已知的是,在三种中微子中,至少有两种必须有质量,而且它们的质量之间存在着某种关系(该论文还为三种中微子的结合质量设定了一个上限:0.26eV)。

令人困惑的是,中微子的三种质量并不符合中微子的三种“味”,即电中微子、μ中微子和τ中微子。根据费米实验室的说法,中微子的每一种味都是由三种质量的量子混合物构成的。因此,一个特定的τ中微子既含有一些质量1的部分,也有一些质量2和质量3的部分。正如1998年的超级神冈探测器的发现(后来获得了诺贝尔物理学奖)所揭示的那样,这些不同的质量部分允许中微子在不同的味之间来回振荡。

物理学家可能永远无法精确地确定这三种中微子的质量,但他们可以不断接近精确值。研究人员写道,随着地球上的实验和太空测量的改进,中微子质量的精确范围将不断缩小。物理学家如果能更好地测量宇宙中这些微小的、无处不在的组成部分,就能更好地解释整个宇宙如何组合在一起。

中微子振荡的发现

中微子是否带有质量一直是粒子物理学的热门问题。20世纪60年代后期开始,科学家就已经在物理实验中观测到中微子具有质量的迹象。根据量子力学,如果中微子会发生振荡,则说明它们必须带有质量。2015年的诺贝尔物理学奖授予了日本物理学家梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟·麦克唐纳,以表彰他们对中微子振荡的发现,从而证实了中微子具有质量。

证实中微子振荡的存在需要庞大的观测数据,这也是超级神冈探测器诞生的原因。1996年,超级神冈探测器成功观测到大气中的中微子。1998年,户冢洋二和梶田隆章的实验团队在超级神冈探测器获得更多的精确实验数据,并由此总结出,不同种类中微子的数量比例之所以低于理论预言,原因是中微子振荡,即宇宙射线在地球大气层因散射而产生的μ中微子,会在经过地球内部的途中变换为τ中微子。这个发现证实了中微子振荡现象的存在,由此也证实了中微子具有质量。

2001年,阿瑟·麦克唐纳领导的团队根据加拿大安大略省萨德伯里中微子观测站的观测结果,推论出来自太阳的电中微子会振荡变换为μ中微子和τ中微子。2015年,他与梶田隆章因为“发现中微子振荡,并因此证明中微子具有质量”而分享了诺贝尔物理学奖。