中微子怎样可能解决物理学中三个最大的开放性问题

撰稿人Ethan Siegel

DEC 5, 2017 @ 10:00AM 

从一声爆炸开始

   宇宙就在那里, 等待着你去发现它。

   福布斯撰稿人表达的观点是他们自己的。

 

一个对宇宙的详细的观察揭示它是由物质而不是由反物质组成的,并且暗物质和暗能量是必需的,而且我们不知道这些奥秘的起源。

   当你仔细观察宇宙时,几个蹦出来的事实可能正在让你大吃一惊。所有在那里的恒星、星系、气体和等离子体都是由物质而不是反物质组成的,尽管自然界的法则在两者之间是对称的。为了形成我们在最大尺度上看到的结构,我们需要大量的暗物质:大约是我们所拥有的所有正常物质的五倍。为了解释随着时间的推移膨胀率是如何变化的,我们需要一种神秘形式的重要的像所有其它形式合在一起的空间本身所固有的两倍的能量(就能量而言):暗能量。这三个谜题可能是二十一世纪最伟大的宇宙学问题,而一个超越标准模型的粒子------中微子------刚好可能解释它们所有的。

 

粒子物理标准模型的粒子和反粒子与实验所要求的完全一致, 只有大质量的中微子提供一个困难。

   在物理宇宙中, 我们有两种类型的标准模型:

1.     粒子物理学的标准模型 (上),有六种风味的夸克和轻子、它们的反粒子规范玻色子和希格斯。

2.     宇宙学的标准模型(下),有膨胀的大爆炸,物质而不是反物质和一个导致恒星、星系、星团、丝和现今宇宙结构形成的历史。

   这两种标准模型在它们都能解释我们能观察到的一切的意义上是完美的,但都包含我们无法解释的奥秘。从粒子物理学一面,有一个为什么粒子质量有它们有的值的谜,而在宇宙学方面,有暗物质和暗能量是什么以及为什么 (和如何)它们来主宰宇宙的奥秘。

 

 

当前宇宙中的物质和能量含量(左)和在更早时间的 (右)。注意到暗能量、暗物质和正常物质胜过反物质的的普遍,这是如此微小它确实没有贡献倒任何倍数下降的。

   所有这一切的大问题是粒子物理学的标准模型解释我们所观察到的一切------每一个粒子、相互作用、衰变等等------完美的。我们从未在一个对撞机、宇宙射线或其它与标准模型的预测的实验中观察到过一个背道而驰的交互作用。唯一的我们的标准模型没有给我们观察到一切的提示是中微子振荡的事实：其中一种类型的中微子随它通过空间、特别是通过物质转变成另一种。这只能在如果中微子有一个小的、微小的、非零的质量而不是标准模型所预测的无质量属性的情况时才会发生。

 

   如果你从一个电子中微子 (黑色)开始,并允许它旅行通过空的空间或物质,它将有一定的振荡成其它两种类型之一的概率,某些如果中微子有非常小的但非零的质量才能发生的东西。

   因此,为什么中微子得到它们的质量和它们是怎样的以及为什么这些质量与其它一切相比如此微小呢？

最轻的正常的标准模型粒子电子和最重的可能的中微子之间的质量区别是一个因素大于400万的因素,一个甚至大于电子和顶夸克之间区别的空白。

   当你更仔细观察这些粒子时甚至脚下有更多的奇特性。你看,我们所观察到过的每个中微子都是左手性的,意思是如果你把你的左手拇指指向某个方向, 你的手指就会在中微子自旋的方向上卷曲。另一方面,每一个反中微子(字面上)是右手性的:你的右手拇指指向它的运动方向而你的手指在反中微子的自旋方向上卷曲。所有其它的存在的费米子有一个粒子和反粒子之间的对称性,包括相同数量的左手性和右手性类型。这一奇异的属性暗示中微子是马焦拉纳（Majorana）费米子(而不是正常的狄拉克),其中它们表现的就像它们自己的反粒子一样。

   为什么会这样？最简单的答案是通过一种被称为"跷跷板机制"的想法。

 

   如果你从相等的左手性和右手性质量开始(绿点),但一个大的、沉重的质量落在这个跷跷板的一侧,它创造一个能作为一个暗物质候选的超重粒子(像一个右手性中微子一样行为的)和一个非常轻的正常中微子 (像一个左手性中微子一样行为)。这种机制将导致左手性中微子充当一个马焦拉纳粒子。如果你有有典型质量的"正常"的中微子------比较到其它标准模型粒子 (或电弱尺度的)------这将是预期的。左手性和右手性中微子将被平衡,并且将有一个大约100吉电子伏特的质量。但如果有非常重的存在于某一超高尺度(大约10¹⁵吉电子伏特,典型的大统一尺度的)象黄色的一个 (上面)粒子,它们可能在这个跷跷板的一边着落的。这种质量将与"正常"的中微子混合在一起,你会得到了两种类型的粒子:

·   一个稳定的、中性的、弱相互作用的极重右手性中微子(大约大约10¹⁵吉电子伏特),被着落在跷跷板一边的重质量弄得沉重的,和

·   一个轻的、中性的、弱相互作用的左手性的在重的质量上平方的"正常"质量的中微子:大约是(100GeV)²/(10¹⁵GeV)或大约 0.01eV。

   第一种类型的粒子很容易成为我们需要的暗物质粒子的质量:一类被称为WIMPzillas的冷暗物质的成员。这可以成功的重现我们需要恢复观测到的宇宙的大尺度结构和引力效应。同时,第二个数字与我们在今天宇宙中有的中微子的实际的、允许的质量范围非常好的排起队的。考虑到一两个数量级的不确定性,这可以精确的描述中微子是如何工作的。它给了一个暗物质的候选,一个为什么中微子会如此之轻以及其它三个有趣的事情的解释。

宇宙的预期命运(前三例证)所有对应到一个物质和能量与最初的膨胀率战斗的宇宙。在我们观察到的宇宙中,一个宇宙加速是由某种暗能量造成的,这是迄今为止无法解释的。

   暗能量。如果你尝试并计算宇宙的零点能量或真空能量是什么,你会得到一个荒谬的数字: 约在Λ ~ ~(10¹⁹GeV)⁴的。如果你曾经听说过人们说这个对暗能量的预测太大到约120个数量级,这是他们从那里得到这个数字的。但是, 如果你用在0.01ev的中微子的质量来取代10¹⁹GeV的数字 ,你得到一个刚好在Λ?(0.01eV)⁴的数字,它出来匹配我们几乎正确的测量的值的。这不是任何东西的证据,但它是极端暗示的。

当电弱对称性破坏时,CP-违反和重子数违反的结合能在之前没有任何的地方创造一个物质/反物质不对称,由于一个作用在中微子过量上的滑子（sphaleron）的相互作用。

   重子不对称。在早期的宇宙中我们需要一种产生比反物质更多物质的方法,如果我们有这样的跷跷板场景,它赋予我们一个来做它的可行的方法。这些混合状态的中微子能通过中微子部分创造比反轻子更多的轻子,引起一个宇宙范围内的不对称。当电弱对称破坏时,一系列的被称为滑子（sphaleron）相互作用的相互作用能然后产生一个比轻子更多重子的宇宙,因为重子数 (B) 和轻子数(L) 不被单独保存的:只是组合的B-L。无论你开始怎样轻子不对称的,它们将被转换成相等部分的重子和轻子不对称。例如,如果你从一个轻子不对称的X开始,这些滑子（sphalerons）自然会给你一个有"额外"数量的等于X/2的质子和中子,同时给你相同量的X/2的电子和中微子的结合。

当一个原子核经历一个双中子衰变时,两个电子和两个中微子被常规的发射。如果中微子服从这个跷跷板机制并且是马焦拉纳粒子，无中微子双重β衰变应该是可能的。实验正在积极寻找这个。

   一种新的衰变形式:无中微子双β衰变。一个暗物质、暗能量和重子不对称的来源的理论想法是令人着迷的,但你需要一个来探测它的实验。直到我们能够直接测量从大爆炸遗留下来的中微子 (和反中微子)为止,这一壮举实际上是不可能的,因为这些低能中微子的低截面, 我们不会知道怎样来测试是否中微子有这些属性(马焦拉纳（Majorana）)或(狄拉克（Dirac）)。但是如果一个双β衰变发生不产生中微子,我们就会知道中微子毕竟有这些马焦拉纳属性,并且所有这些都是真的。

十年前的格尔达（GERDA）实验,当时最强的把约束放在无中微子双β衰变上的。这里所示的这个MAJORANA实验具有最终发现这种罕见的衰变的潜力。如果它存在,它可能预示着一个粒子物理学的革命。

   也许具有讽刺意味的是, 粒子物理学中最大的进步------一个超越标准模型的大跃进------可能不是来自于我们的高能的最伟大的实验和探测器,而是来自一个卑微的、耐心寻找极罕见的衰变。我们已经把无中微子双β衰变约束在有一个超过2×10²⁵年的寿命,但如果它存在未来十年或两个实验应该测量这种衰变。到目前为止,中微子是唯一的超出标准粒子物理模型的暗示。如果无中微子双β衰变原来是真实的,它可能是基础物理学的未来。它可以解决今天困扰人类的最大的宇宙问题。我们唯一的选择就是看。如果自然对我们是仁慈的,未来就不会是超对称的、额外维度或弦理论的。在我们的手上我们可能会有一个中微子革命。

天体物理学家和作者爱善西格尔（EthanSiegel）是从一声爆炸开始的创始人和主要作家!他的书迁徙术（Treknology）和超越银河（Beyond TheGalaxy）无论哪里卖书的都可以买到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/05/how-neutrinos-could-solve-the-three-greatest-open-questions-in-physics/#44d8fdc54ee8

 http://blog.sina.com.cn/s/blog_9bdadbb90102x26a.html

 (2017-12-07 11:40:17)