幽灵粒子的质量之谜

1.

中微子是一种极其难以捉摸的基本粒子。从太阳内产生的大量中微子会以接近光的速度传播飞向地球，并穿过我们的身体。由于中微子几乎从未与构成我们身体的原子发生作用，因此我们不会有任何察觉。它们是名副其实的幽灵粒子。在很长的一段时间内，科学家都认为这些微小的粒子是无质量的。

○ 宇宙中包含着大量的中微子。它们没有电荷，所以不会被自然界中的其他带电粒子吸引或排斥。| 图片来源：Arthur Loureiro

中微子有三种类型（或者说“味”），分别是电子中微子、μ中微子和τ中微子。上个世纪90年代，研究人员发现中微子在传播的过程中，会从其中一种转变成另一种，这被称为中微子振荡，是一个量子力学效应。

举个例子，太阳产生了电子中微子。当这些中微子在抵达地球时，科学家却只观测到了三分之一发射的中微子。剩下三分之二的电子中微子变成了μ中微子和τ中微子。而这之所以会发生的前提是中微子具有质量——发现者也因此获得了2015年的诺贝尔奖。从过去的粒子物理实验中，我们得知三种中微子中至少有两种是有质量的。

基于量子力学的奇怪规则，中微子的味和质量之间的关系也异常复杂。在任何中微子束中，这三个质量总是存在的，只是比例不同。每种味都有三种质量的组合，每种中微子质量也都有三种味的组合。

○ 已知的中微子有三种：电子中微子（ν_e）、μ子中微子（ν_μ）和τ子中微子（ν_τ）。中微子在传播的途中会发生转变。

迄今为止，科学家对中微子的质量依然知之甚少。而一项刚发表在《物理评论快报》的新研究首次设定了最轻中微子的质量上限：至少比电子的质量轻600万倍。

2.

中微子对理解宇宙非常重要。回到20世纪40年代，物理学家伽莫夫（George Gamow）和勋伯格（Mario Schoenberg）就指出，中微子在恒星演化和超新星中发挥了重要作用。这一点在1987年当科学家首次从超新星中发现中微子时就得到了证实，从而帮助科学家更好的理解超新星。

然而，在宇宙学尺度上，由于这些幽灵粒子具有质量，因此在引力的作用下，它们往往会拖曳一些物质。所以，中微子的质量越大，我们周围星系的分布就会越“模糊”。这意味着通过观察我们周围的星系，就可以推断出中微子的质量。这非常令人惊讶， 宇宙中最大的星系结构竟暗藏着微小粒子的信息。

为什么科学家如此热衷于知道中微子的质量？这是因为它关系到我们对现实的终极理解。粒子物理学的标准模型是已知最精确、最成功的用于描述基本粒子的理论。然而，这个模型预测的却是中微子应该是无质量的。

所以理解中微子的质量也是科学家寻找迈向新的、更好的粒子物理学理论的关键。在这个寻找答案的过程中，像暗物质和暗能量等标准模型无法解释的问题或许也终将得到解决。

3.

在新的研究中，来自英国和巴西的国际研究团队首次结合了宇宙学家和粒子物理学家收集的数据来计算中微子的质量。论文的第一作者Arthur Loureiro说：“我们使用了来自各种来源的信息，包括从天基和地基望远镜所观测到的宇宙中最古老的光（宇宙微波背景辐射）、爆炸的恒星、宇宙中最大的三维星系地图、粒子加速器、核反应堆等等。”

每种方法都有其局限性。当宇宙学家通过观察星系的分布来确定中微子的质量时，他们只能确定三种中微子之和的最大质量。

粒子物理学实验可以直接研究中微子，比如可以在实验室中制造出一束中微子。但这无法告诉我们每个粒子的绝对质量，只能告诉我们三种中微子类型中的两种的质量差。它也无法告诉我们两种中微子中哪个更重。

遗憾的是，许多宇宙学家经常忽略粒子物理学的结果。一些粒子物理学家对宇宙学家的统计技术持怀疑态度，声称他们运用先验知识的方式会影响他们的结果。

研究人员通过结合这两种方法建立了一个数学模型，他们通过研究重子振荡光谱巡天（BOSS）中超过100万个星系的大尺度结构，从而计算出中微子质量的总和。研究人员还必须考虑许多其他影响星系分布的参数，比如暗物质和暗能量。然后将从粒子物理实验中得知的信息输入，能非常精确地告知研究人员这些中微子质量之间应该有着怎样的关系，使他们能够计算出最轻中微子的质量上限：0.086eV（相当于1.5×10⁻³⁷千克）。

为了得到这些结果，研究人员不得不将宇宙学中的大数据分析推向极致，他们用了超过50万个计算小时来处理数据。幸运的是，他们有一台超级计算机。

虽然现有的数据还不足以探测到最轻中微子的质量下限——它仍有可能是无质量的——但这项工作表明，应用一种综合的方法才是前进的道路。

未来，暗能量光谱仪（DESI）将要对比研究人员所能接触到的星系还要多出十倍的数据进行分析，它将对所有中微子的总质量给出一个更可靠的估计——这或许能使计算出最小质量成为可能。令人兴奋的是，这可能会开启中微子物理学的新时代。

编译：不二北斗

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