北京時(shí)間10月30日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在宇宙中所有的已知粒子中，只有光子的數(shù)量超過(guò)中微子，然而，盡管中微子數(shù)量眾多，但由于它們與物質(zhì)的相互作用非常微弱，因此很難捕捉并進(jìn)行檢測(cè)，每秒鐘大約有1000萬(wàn)億個(gè)幽靈般的中微子穿過(guò)你的身體，但它們甚至都不會(huì)與一個(gè)原子發(fā)生接觸。
中微子是目前已知的唯一質(zhì)量未知的粒子，測(cè)量其質(zhì)量將有助于發(fā)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理定律。
中微子無(wú)處不在，但我們甚至不知道它們的重量，這真的有點(diǎn)瘋狂。
長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家們一直試圖稱(chēng)量中微子的質(zhì)量。今年9月，經(jīng)過(guò)18年的籌劃、建造和校準(zhǔn)，位于德國(guó)西南部的卡爾斯魯厄氚中微子（KATRIN）實(shí)驗(yàn)宣布了首批結(jié)果：中微子的質(zhì)量不超過(guò)1.1電子伏特（eV），約為電子質(zhì)量的15萬(wàn)分之一。
這個(gè)初步估計(jì)值僅來(lái)自一個(gè)月的數(shù)據(jù)，但與之前使用類(lèi)似技術(shù)的測(cè)量結(jié)果相比，已經(jīng)有所改進(jìn)。此前的研究中，研究人員將中微子質(zhì)量的上限設(shè)定為2ev。隨著數(shù)據(jù)的積累，KATRIN的目標(biāo)是確定實(shí)際的中微子質(zhì)量，而不是僅給出一個(gè)上限。
為什么要研究中微子質(zhì)量？
2006年，卡特琳實(shí)驗(yàn)的主光譜儀被運(yùn)送到德國(guó)卡爾斯魯厄研究中心
質(zhì)量是基本粒子最基本、最重要的性質(zhì)之一。中微子是目前已知的唯一質(zhì)量未知的粒子，測(cè)量其質(zhì)量將有助于發(fā)現(xiàn)超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理定律。在粒子物理學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)模型是描述宇宙中已知粒子和力之間如何相互作用的理論，盡管到目前為止，強(qiáng)力、弱力和電磁力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都合乎標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)，但該模型并不完整。測(cè)定中微子的質(zhì)量也可以用來(lái)檢驗(yàn)宇宙學(xué)家關(guān)于宇宙如何演化的理論，根據(jù)最后得到的中微子質(zhì)量結(jié)果，我們可能會(huì)迎來(lái)宇宙學(xué)中非常激動(dòng)人心的時(shí)刻。
直到大約20年前，科學(xué)家還認(rèn)為中微子是沒(méi)有質(zhì)量的。1930年，科學(xué)家在理論上預(yù)測(cè)了中微子的存在，并在1956年觀(guān)測(cè)到了這種粒子。
2015年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)改變了這種情況。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，中微子可以從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，在三種“味”之間振蕩：電中微子、μ中微子和τ中微子。只有當(dāng)中微子也具有三種可能的質(zhì)量本征態(tài)時(shí)，這些振蕩才會(huì)發(fā)生；對(duì)于每一種味態(tài)，都可由幾種質(zhì)量本征態(tài)混合形成，因此要求中微子質(zhì)量非零。質(zhì)量本征態(tài)在空間中以不同的方式傳播，所以當(dāng)中微子從A點(diǎn)到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，這種混合的概率就會(huì)改變，從而使探測(cè)器可以測(cè)量不同的味態(tài)。
根據(jù)最近的中微子振蕩數(shù)據(jù)（揭示了質(zhì)量本征態(tài)之間的差異，而不是它們的實(shí)際值），如果最輕的質(zhì)量態(tài)為零，那么最重的質(zhì)量態(tài)必須至少為0.0495eV。
盡管如此，與其他粒子的質(zhì)量相比，中微子的質(zhì)量還是太輕了，以至于物理學(xué)家都不確定中微子是如何獲得如此小的質(zhì)量的。標(biāo)準(zhǔn)模型中的其他粒子通過(guò)與希格斯場(chǎng)（一種充滿(mǎn)所有空間并拖曳大量粒子的能量場(chǎng)）相互作用來(lái)獲得質(zhì)量。但是對(duì)于中微子來(lái)說(shuō)，它的質(zhì)量太小了，你需要一些額外的理論來(lái)解釋它。
弄清楚中微子如何獲得質(zhì)量，或許可以解決其他相關(guān)的問(wèn)題，比如為什么宇宙中物質(zhì)比反物質(zhì)更多。關(guān)于質(zhì)量產(chǎn)生的機(jī)制有一些相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，對(duì)三種質(zhì)量本征態(tài)的不同值進(jìn)行了預(yù)測(cè)。盡管中微子振蕩實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是這些質(zhì)量本征態(tài)之間的差異，但像KATRIN這樣的實(shí)驗(yàn)卻希望得到這三種狀態(tài)的平均值，結(jié)合這兩種測(cè)量方法可以揭示每種質(zhì)量本征態(tài)的值，從而支持中微子質(zhì)量的某些理論。
宇宙的問(wèn)題
中微子質(zhì)量也具有宇宙尺度的重要性。盡管中微子的質(zhì)量極小，但在大爆炸期間產(chǎn)生了如此多的中微子，它們的集體引力也會(huì)影響宇宙中所有物質(zhì)聚集成恒星和星系的方式。大約在大爆炸后的一秒鐘，中微子以近乎光速的速度四處逃逸，它們的速度如此之快，以至于逃脫了其他物質(zhì)的引力，但是之后，它們開(kāi)始變慢，這使得它們能夠控制原子、恒星和星系。中微子開(kāi)始減速的時(shí)間點(diǎn)取決于它們的質(zhì)量，較重的中微子會(huì)更快減速，并幫助宇宙變得更“笨重”。
通過(guò)測(cè)量宇宙的密度，宇宙學(xué)家可以推斷出中微子的質(zhì)量，但這種間接方法建立在假設(shè)宇宙模型是正確的基礎(chǔ)上，因此，如果該方法給出的答案與直接測(cè)量的中微子質(zhì)量不同，可能就意味著宇宙學(xué)理論是錯(cuò)誤的。
到目前為止，間接的宇宙學(xué)方法比像KATRIN這樣直接測(cè)量質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)更靈敏。最近來(lái)自普朗克衛(wèi)星的宇宙觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，三個(gè)中微子質(zhì)量本征態(tài)的總和不可能超過(guò)0.12eV，而在8月，另一項(xiàng)對(duì)宇宙觀(guān)測(cè)的分析發(fā)現(xiàn)，最輕的中微子質(zhì)量必須小于0.086eV。這些都落在KATRIN實(shí)驗(yàn)的上限以下，因此兩種方法之間并沒(méi)有矛盾，隨著KATRIN實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)越來(lái)越多，兩種方法之間也可能會(huì)出現(xiàn)差異。
接下來(lái)是什么？
物理學(xué)家對(duì)KATRIN實(shí)驗(yàn)期待已久，該實(shí)驗(yàn)使用氫的重同位素氚來(lái)測(cè)量中微子的質(zhì)量。當(dāng)氚經(jīng)歷衰變時(shí)，它的原子核會(huì)發(fā)出一個(gè)電子和一個(gè)電中微子，通過(guò)測(cè)量能量最大的電子的能量，物理學(xué)家就可以推斷出電子中微子的能量和質(zhì)量。
如果KATRIN實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的中微子質(zhì)量大約是0.2或0.3eV，則宇宙學(xué)家將很難協(xié)調(diào)他們的觀(guān)測(cè)結(jié)果。一種可能的解釋是，一些新的現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)影響隨著時(shí)間的推移而減弱，例如，中微子可能衰變?yōu)楦p的未知粒子，其接近光速的速度使它們無(wú)法聚集成物質(zhì)。或者，在宇宙的歷史中，賦予中微子質(zhì)量的機(jī)制已經(jīng)改變了。
另一方面，如果中微子的質(zhì)量接近宇宙觀(guān)測(cè)所預(yù)測(cè)的值，那么KATRIN實(shí)驗(yàn)就沒(méi)有足夠的靈敏度來(lái)進(jìn)行測(cè)量。KATRIN只能將中微子質(zhì)量限定至0.2eV，如果中微子質(zhì)量小于0.2eV，物理學(xué)家就需要更靈敏的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定其質(zhì)量，并解決粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的問(wèn)題。目前，已經(jīng)有3個(gè)靈敏度可能更高的項(xiàng)目——project 8、“鈥的電子捕獲”（Electron Capture on Holmium）和HOLMES——已經(jīng)在用概念驗(yàn)證儀器來(lái)獲取數(shù)據(jù)。
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