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首界定最轻微中子的最大质量上限,比电子轻 1,000 万倍

2024-11-02 206


每秒钟都有数十亿个“幽灵粒子”穿越你的身体,它们很少与一般物质相互作用,所以我们感觉不到,这种粒子就是“微中子”。面对几乎没有质量的微中子,科学家现在终于计算出最轻微中子的质量──比电子还要轻 1,000 万倍。

微中子(Neutrino)如字面上是微小的电中性粒子,属于轻子的一种,不参与强交互作用和电磁交互作用,只参与重力交互作用及弱交互作用,它们能穿越宇宙各种极端环境但不留下任何痕迹,连行经强大的磁场区域也不会受到影响。

在地球附近检测到的微中子大多来自太阳内部的核反应,事实上,地球面向太阳的区域每秒、每平方公分都会穿过约 650 亿个来自太阳的微中子,甚至每秒钟就有数十亿个微中子穿越你的身体,只是它们不与一般物质相互作用所以难以察觉。

微中子还分成 3 种“味”:电微中子(νe)、缈微中子(νμ)以及涛微中子(ντ),伦敦大学学院物理学家 Arthur Loureiro 解释道,你可以用冰淇淋的草莓、巧克力、香草 3 种口味来想像微中子的 3 种“味”:它们本质上是一样的东西,只是内部各种比例不同而导致 3 种微中子出现不同行为,比如质量不相同。

先前研究已表明微中子具有质量,天文学家梶田隆章(Takaaki Kajita)、阿瑟‧麦克唐纳(Arthur B. McDonald)因此获得 2015 年诺贝尔物理学奖。然而微中子的质量和其他亚原子粒子相比依旧微不足道,甚至确切质量依然没被测定出来,现代物理学使用的标准模型也还未更新 3 种微中子的质量分配,仅给出一个严格约束:3 种微中子质量之和不大于 0.3 eV。

这是因为我们大多只能检测微中子的间接影响,而非微中子本身,要测量其微乎其微的质量简直难上加难。

现在,来自伦敦大学学院、里约热内卢联邦大学、巴黎天体物理研究所、圣保罗大学的科学家们,首次确定了最轻微中子质量的上限值:0.086 eV。

要计算微中子的质量,研究人员分析了由重子振荡光谱巡天计划(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,BOSS)收集的 110 万个星系数据,接着利用伦敦大学学院的超级电脑 Grace 计算(如果用一般处理器分析这笔庞大数据可能要运算 60 年),得出最轻微中子最大质量只有 0.086 eV,比电子还要轻 1,000 万倍;而 3 种微中子的质量上限总和修正为 0.26 eV。

精确估计微中子的质量对未来宇宙学研究非常重要,因为微中子很可能是现在唯一一种已被探测出的暗物质,欧洲太空总署正在开发下一代大型太空望远镜“暗能量光谱仪(Dark Energy Spectroscopic Instrument,DESI)”,将绘制宇宙暗物质与暗能量的结构分布。

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(首图来源:shutterstock)

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2019-08-24 11:05:00

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