科學家破解中微子如何在銀河系聚集 事關「嬰兒宇宙」

2020-12-05 新華網客戶端

　　原標題：我科學家破解信使中微子如何在銀河系中聚集

　　關係到人們對宇宙的認知能否推進至宇宙誕生後僅1秒的時期

　　

遺蹟中微子在銀河系中的運動軌跡。東北大學供圖

　　日前，東北大學理學院教授張鑫與北京大學高能物理研究中心博士後張珏合作，在「宇宙遺蹟中微子的引力結團效應」研究中取得重要進展：在N單體模擬中發展了一種重要的計算方法——重加權方法，使得只利用一次模擬即可得到不同中微子質量和相空間分布下的中微子密度輪廓，從而研究宇宙中最古老的中微子如何在銀河系中結團。這是中國高校科研工作者在世界科學最前沿的中微子研究領域取得的又一次巨大進步。這一研究能夠了解來自嬰兒宇宙的信使——遺蹟中微子，如何在銀河系中聚集，而這關係到人們對宇宙的認知能否推進至宇宙誕生後僅1秒的時期。

　　5月9日，該項成果在《自然》雜誌的子刊《自然·通訊》上發表。

　　關於中微子的研究，一直是科學研究的最前沿。迄今為止與中微子直接相關的科學研究已經獲得了四次諾貝爾物理學獎。中微子是構成物質世界最基本的粒子之一，滿足費米-狄拉克統計規律，被歸到費米子大類中，是一種自旋為1/2的費米子。它不帶電，質量非常輕，以接近光速運動，與其他基本粒子之間的相互作用十分微弱，被稱為宇宙中的「隱身人」。

　　中微子是解開諸多宇宙之謎的關鍵，宇宙誕生時產生的「背景中微子」也被稱為宇宙遺蹟中微子，攜帶著早期宇宙的信息，是宇宙極早期的信使。據標準宇宙學模型預言，在宇宙極早期，溫度非常高密度非常大，所有的粒子都頻繁碰撞，但隨著宇宙溫度的降低，在宇宙誕生後1秒左右，由於中微子只參與弱相互作用，碰撞截面非常小，就不再與其他粒子碰撞獨自演化。這些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遺蹟之一，形成了宇宙演化中的一個背景，成為人們探索極早期宇宙的最佳線索。

　　「如果能夠十分精確地觀測『背景中微子』，就可直接探測到宇宙誕生1秒的時刻，能夠從中抽取很多早期宇宙的物理信息。這對於我們理解早期宇宙非常重要。」張鑫告訴記者，我們現在通過宇宙微波背景的觀測，已經了解到宇宙年齡為38萬年時的很多信息，更早期的信息就要靠「背景中微子」和「原初引力波」的發現。

　　宇宙遺蹟中微子的實驗探測，是基礎物理中的重要課題，意義重大。目前，中國在中微子研究方面水平很高，中科院高能所領導的大亞灣中微子實驗項目取得了舉世矚目的成果，曾獲得國際大獎——基礎物理突破獎，並獲得國家自然科學一等獎。大亞灣中微子實驗首次發現了一種新的中微子振蕩模式的存在。在中微子理論方面，我國科學家也取得了喜人的成果。此次張鑫和張珏的研究，將對探測實驗產生直接影響，關係到能否捕獲遺蹟中微子這個「古老隱身人」。

　　「這項工作需要採用一種天文學數值模擬方法——N體模擬來完成。」張鑫說，研究最初需要耗費大量的計算資源，雖然人們找到了N體模擬這種更簡單的辦法，但仍然耗時較多，我們找到的這個計算方法是個捷徑，可以只通過一次模擬，就得到各種不同情況下的結果，在幾分鐘之內即獲得原本需要數周時間計算所得到的結果，這將在未來的宇宙中微子背景探測實驗以及相關的唯象研究中發揮重要作用。

　　利用該方法，張鑫與張珏發現，在地球附近，中微子密度差幾乎正比於中微子質量的平方。這將為即將開展的「託勒密」宇宙中微子背景的探測實驗計劃，提供關鍵的指導作用，預測實際的遺蹟中微子俘獲率。（記者 劉勇）

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