幽靈粒子的質量之謎

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1.

中微子是一種極其難以捉摸的基本粒子。從太陽內產生的大量中微子會以接近光的速度傳播飛向地球，並穿過我們的身體。由於中微子幾乎從未與構成我們身體的原子發生作用，因此我們不會有任何察覺。它們是名副其實的幽靈粒子。在很長的一段時間內，科學家都認為這些微小的粒子是無質量的。

○ 宇宙中包含著大量的中微子。它們沒有電荷，所以不會被自然界中的其他帶電粒子吸引或排斥。| 圖片來源：Arthur Loureiro

中微子有三種類型（或者說「味」），分別是電子中微子、μ中微子和τ中微子。上個世紀90年代，研究人員發現中微子在傳播的過程中，會從其中一種轉變成另一種，這被稱為中微子振蕩，是一個量子力學效應。

舉個例子，太陽產生了電子中微子。當這些中微子在抵達地球時，科學家卻只觀測到了三分之一發射的中微子。剩下三分之二的電子中微子變成了μ中微子和τ中微子。而這之所以會發生的前提是中微子具有質量——發現者也因此獲得了2015年的諾貝爾獎。從過去的粒子物理實驗中，我們得知三種中微子中至少有兩種是有質量的。

基於量子力學的奇怪規則，中微子的味和質量之間的關係也異常複雜。在任何中微子束中，這三個質量總是存在的，只是比例不同。每種味都有三種質量的組合，每種中微子質量也都有三種味的組合。

○ 已知的中微子有三種：電子中微子（νe）、μ子中微子（νμ）和τ子中微子（ντ）。中微子在傳播的途中會發生轉變。

迄今為止，科學家對中微子的質量依然知之甚少。而一項剛發表在《物理評論快報》的新研究首次設定了最輕中微子的質量上限：至少比電子的質量輕600萬倍。

2.

中微子對理解宇宙非常重要。回到20世紀40年代，物理學家伽莫夫（George Gamow）和勳伯格（Mario Schoenberg）就指出，中微子在恆星演化和超新星中發揮了重要作用。這一點在1987年當科學家首次從超新星中發現中微子時就得到了證實，從而幫助科學家更好的理解超新星。

然而，在宇宙學尺度上，由於這些幽靈粒子具有質量，因此在引力的作用下，它們往往會拖曳一些物質。所以，中微子的質量越大，我們周圍星系的分布就會越「模糊」。這意味著通過觀察我們周圍的星系，就可以推斷出中微子的質量。這非常令人驚訝， 宇宙中最大的星繫結構竟暗藏著微小粒子的信息。

為什麼科學家如此熱衷於知道中微子的質量？這是因為它關係到我們對現實的終極理解。粒子物理學的標準模型是已知最精確、最成功的用於描述基本粒子的理論。然而，這個模型預測的卻是中微子應該是無質量的。

所以理解中微子的質量也是科學家尋找邁向新的、更好的粒子物理學理論的關鍵。在這個尋找答案的過程中，像暗物質和暗能量等標準模型無法解釋的問題或許也終將得到解決。

3.

在新的研究中，來自英國和巴西的國際研究團隊首次結合了宇宙學家和粒子物理學家收集的數據來計算中微子的質量。論文的第一作者Arthur Loureiro說：「我們使用了來自各種來源的信息，包括從天基和地基望遠鏡所觀測到的宇宙中最古老的光（宇宙微波背景輻射）、爆炸的恆星、宇宙中最大的三維星系地圖、粒子加速器、核反應堆等等。」

每種方法都有其局限性。當宇宙學家通過觀察星系的分布來確定中微子的質量時，他們只能確定三種中微子之和的最大質量。

粒子物理學實驗可以直接研究中微子，比如可以在實驗室中製造出一束中微子。但這無法告訴我們每個粒子的絕對質量，只能告訴我們三種中微子類型中的兩種的質量差。它也無法告訴我們兩種中微子中哪個更重。

遺憾的是，許多宇宙學家經常忽略粒子物理學的結果。一些粒子物理學家對宇宙學家的統計技術持懷疑態度，聲稱他們運用先驗知識的方式會影響他們的結果。

研究人員通過結合這兩種方法建立了一個數學模型，他們通過研究重子振蕩光譜巡天（BOSS）中超過100萬個星系的大尺度結構，從而計算出中微子質量的總和。研究人員還必須考慮許多其他影響星系分布的參數，比如暗物質和暗能量。然後將從粒子物理實驗中得知的信息輸入，能非常精確地告知研究人員這些中微子質量之間應該有著怎樣的關係，使他們能夠計算出最輕中微子的質量上限：0.086eV（相當於1.5×10千克）。

為了得到這些結果，研究人員不得不將宇宙學中的大數據分析推向極致，他們用了超過50萬個計算小時來處理數據。幸運的是，他們有一臺超級計算機。

雖然現有的數據還不足以探測到最輕中微子的質量下限——它仍有可能是無質量的——但這項工作表明，應用一種綜合的方法才是前進的道路。

未來，暗能量光譜儀（DESI）將要對比研究人員所能接觸到的星系還要多出十倍的數據進行分析，它將對所有中微子的總質量給出一個更可靠的估計——這或許能使計算出最小質量成為可能。令人興奮的是，這可能會開啟中微子物理學的新時代。

編譯：不二北鬥

參考來源：

https://theconversation.com/ghost-particles-how-galaxies-helped-us-weigh-the-lightest-neutrino-and-why-it-matters-122230

https://www.ucl.ac.uk/news/2019/aug/maximum-mass-lightest-neutrino-revealed-using-astronomical-big-data

https://arxiv.org/pdf/1811.02578.pdf

來源：原理

編輯：Major Tom