北京時間8月29日消息，據(jù)國外媒體報道，在一項新研究中，科學(xué)家使用了有關(guān)整個宇宙結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，對宇宙中最小、最難研究的組成部分之一的質(zhì)量進(jìn)行測量。
▲這張照片顯示的是一個圓柱形反中微子探測器的內(nèi)部。每種味的中微子都相應(yīng)存在一種同樣電中性且自旋量子數(shù)為1/2的反中微子
中微子是一種電中性的基本粒子，已有證據(jù)顯示，中微子具有質(zhì)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，由于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(guī)物質(zhì)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(shù)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(xué)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(xué)家團(tuán)隊就完成了這樣的工作。
由于物理學(xué)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(jié)構(gòu)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(zhì)。在即將發(fā)表于《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜志上的一篇新論文中，研究人員利用這一事實，從對宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的精確測量中，反向演算出了最輕中微子的質(zhì)量(有三種中微子的質(zhì)量)。
研究人員從重子振蕩光譜巡天中獲取了大約110萬個星系的運(yùn)動數(shù)據(jù)，結(jié)合其他宇宙學(xué)信息，以及地球上規(guī)模小得多的中微子實驗的結(jié)果，然后把所有這些信息輸入一臺超級計算機(jī)。
“我們使用了50多萬小時的計算時間來處理數(shù)據(jù)，”該研究的合著者、倫敦大學(xué)學(xué)院天體物理學(xué)博士生安德烈·庫丘(Andrei Cuceu)在聲明中說，“這相當(dāng)于一臺處理器工作了近60年時間。這個項目突破了宇宙學(xué)大數(shù)據(jù)分析的極限。”
該研究的結(jié)果并沒有為最輕的中微子的質(zhì)量提供一個固定數(shù)值，但確實縮小了數(shù)值范圍：這種中微子的質(zhì)量不超過0.086電子伏特(eV)，大約比單個電子質(zhì)量小600萬倍。這個數(shù)字為最輕的中微子質(zhì)量設(shè)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(zhì)量。
物理學(xué)家目前已知的是，在三種中微子中，至少有兩種必須有質(zhì)量，而且它們的質(zhì)量之間存在著某種關(guān)系(該論文還為三種中微子的結(jié)合質(zhì)量設(shè)定了一個上限：0.26eV)。
令人困惑的是，中微子的三種質(zhì)量并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(jù)費(fèi)米實驗室的說法，中微子的每一種味都是由三種質(zhì)量的量子混合物構(gòu)成的。因此，一個特定的τ中微子既含有一些質(zhì)量1的部分，也有一些質(zhì)量2和質(zhì)量3的部分。正如1998年的超級神岡探測器的發(fā)現(xiàn)(后來獲得了諾貝爾物理學(xué)獎)所揭示的那樣，這些不同的質(zhì)量部分允許中微子在不同的味之間來回振蕩。
物理學(xué)家可能永遠(yuǎn)無法精確地確定這三種中微子的質(zhì)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(jìn)，中微子質(zhì)量的精確范圍將不斷縮小。物理學(xué)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。
中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)
中微子是否帶有質(zhì)量一直是粒子物理學(xué)的熱門問題。20世紀(jì)60年代后期開始，科學(xué)家就已經(jīng)在物理實驗中觀測到中微子具有質(zhì)量的跡象。根據(jù)量子力學(xué)，如果中微子會發(fā)生振蕩，則說明它們必須帶有質(zhì)量。2015年的諾貝爾物理學(xué)獎授予了日本物理學(xué)家梶田隆章和加拿大物理學(xué)家阿瑟·麥克唐納，以表彰他們對中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)，從而證實了中微子具有質(zhì)量。
證實中微子振蕩的存在需要龐大的觀測數(shù)據(jù)，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，戶冢洋二和梶田隆章的實驗團(tuán)隊在超級神岡探測器獲得更多的精確實驗數(shù)據(jù)，并由此總結(jié)出，不同種類中微子的數(shù)量比例之所以低于理論預(yù)言，原因是中微子振蕩，即宇宙射線在地球大氣層因散射而產(chǎn)生的μ中微子，會在經(jīng)過地球內(nèi)部的途中變換為τ中微子。這個發(fā)現(xiàn)證實了中微子振蕩現(xiàn)象的存在，由此也證實了中微子具有質(zhì)量。
2001年，阿瑟·麥克唐納領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊根據(jù)加拿大安大略省薩德伯里中微子觀測站的觀測結(jié)果，推論出來自太陽的電中微子會振蕩變換為μ中微子和τ中微子。2015年，他與梶田隆章因為“發(fā)現(xiàn)中微子振蕩，并因此證明中微子具有質(zhì)量”而分享了諾貝爾物理學(xué)獎。
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