科學家反向推算最輕中微子的質量
2019年08月29日08:16
這張照片顯示的是一個圓柱形反中微子探測器的內部。每種味的中微子都相應存在一種同樣電中性且自旋量子數為1/2的反中微子。
這張照片顯示的是一個圓柱形反中微子探測器的內部。每種味的中微子都相應存在一種同樣電中性且自旋量子數為1/2的反中微子。

  新浪科技訊 北京時間8月29日消息,據國外媒體報導,在一項新研究中,科學家使用了有關整個宇宙結構的數據,對宇宙中最小、最難研究的組成部分之一的質量進行測量。

  中微子是一種電中性的基本粒子,已有證據顯示,中微子具有質量,但相比其他亞原子粒子而言非常微小。中微子只參與引力相互作用和弱相互作用,由於弱相互作用的作用距離極短,而引力相互作用在亞原子尺度下又十分微弱,因此中微子在穿過常規物質時不會受到太多阻礙,而且非常難以檢測。每時每刻,都有無數的中微子穿過我們的身體。

  我們對中微子幾乎一無所知,甚至不知道它們有多重。但是,在科學家看來,中微子有著改變整個宇宙形狀的能力。如果它們真的具有這樣的能力,我們就可以用宇宙的形狀來稱量它們。近日,一支物理學家團隊就完成了這樣的工作。

  由於物理學的原因,最小粒子的行為可以改變整個星系和其他巨大天體結構的行為。如果你想描述宇宙的行為,你必須考慮到它最小組成部分的性質。在即將發表於《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌上的一篇新論文中,研究人員利用這一事實,從對宇宙大尺度結構的精確測量中,反向演算出了最輕中微子的質量(有三種中微子的質量)。

  研究人員從重子振盪光譜巡天中獲取了大約110萬個星系的運動數據,結合其他宇宙學信息,以及地球上規模小得多的中微子實驗的結果,然後把所有這些信息輸入一台超級計算機。

  “我們使用了50多萬小時的計算時間來處理數據,”該研究的合著者、倫敦大學學院天體物理學博士生安德烈·庫丘(Andrei Cuceu)在聲明中說,“這相當於一台處理器工作了近60年時間。這個項目突破了宇宙學大數據分析的極限。”

  該研究的結果並沒有為最輕的中微子的質量提供一個固定數值,但確實縮小了數值範圍:這種中微子的質量不超過0.086電子伏特(eV),大約比單個電子質量小600萬倍。這個數字為最輕的中微子質量設定了上限,而不是下限。作者在論文中指出,最輕的中微子可能根本沒有任何質量。

  物理學家目前已知的是,在三種中微子中,至少有兩種必須有質量,而且它們的質量之間存在著某種關係(該論文還為三種中微子的結合質量設定了一個上限:0.26eV)。

  令人困惑的是,中微子的三種質量並不符合中微子的三種“味”,即電中微子、μ中微子和τ中微子。根據費米實驗室的說法,中微子的每一種味都是由三種質量的量子混合物構成的。因此,一個特定的τ中微子既含有一些質量1的部分,也有一些質量2和質量3的部分。正如1998年的超級神岡探測器的發現(後來獲得了諾貝爾物理學獎)所揭示的那樣,這些不同的質量部分允許中微子在不同的味之間來回振盪。

  物理學家可能永遠無法精確地確定這三種中微子的質量,但他們可以不斷接近精確值。研究人員寫道,隨著地球上的實驗和太空測量的改進,中微子質量的精確範圍將不斷縮小。物理學家如果能更好地測量宇宙中這些微小的、無處不在的組成部分,就能更好地解釋整個宇宙如何組合在一起。

  中微子振盪的發現

  中微子是否帶有質量一直是粒子物理學的熱門問題。20世紀60年代後期開始,科學家就已經在物理實驗中觀測到中微子具有質量的跡象。根據量子力學,如果中微子會發生振盪,則說明它們必須帶有質量。2015年的諾貝爾物理學獎授予了日本物理學家梶田隆章和加拿大物理學家阿瑟·麥克唐納,以表彰他們對中微子振盪的發現,從而證實了中微子具有質量。

  證實中微子振盪的存在需要龐大的觀測數據,這也是超級神岡探測器誕生的原因。1996年,超級神岡探測器成功觀測到大氣中的中微子。1998年,戶塚洋二和梶田隆章的實驗團隊在超級神岡探測器獲得更多的精確實驗數據,並由此總結出,不同種類中微子的數量比例之所以低於理論預言,原因是中微子振盪,即宇宙射線在地球大氣層因散射而產生的μ中微子,會在經過地球內部的途中變換為τ中微子。這個發現證實了中微子振盪現象的存在,由此也證實了中微子具有質量。

  2001年,阿瑟·麥克唐納領導的團隊根據加拿大安大略省薩德伯里中微子觀測站的觀測結果,推論出來自太陽的電中微子會振盪變換為μ中微子和τ中微子。2015年,他與梶田隆章因為“發現中微子振盪,並因此證明中微子具有質量”而分享了諾貝爾物理學獎。(任天)

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