天文学家正在接近难以捉摸的中微子粒子的质量

天文学家一直在遥远的星系中寻找线索,以缩小对神秘中微子质量的估计差距。
6月27日

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图1:仙女座星系

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物理学家迫切地想要解释我们对基本粒子行为理解上的缺陷;本周天文学家的一项声明提醒我们,天空可以告诉我们的关于粒子的信息与地球上的实验一样多,有时甚至更多。

该声明的重点是中微子,这是一种非常神秘的粒子。早在20世纪30年代,粒子物理学家就预测了它们的存在,但直到50年代末才通过实验直接探测到它们。即使在今天,对中微子进行实验也是非常困难的,因为它们可以直接穿过固体物质而不会留下任何痕迹。更奇怪的是,根据所谓的粒子物理学标准模型,中微子应该没有任何质量。但是,从对太阳中自然产生的中微子的观察来看,天文学家在90年代末证实,中微子实际上一定是有质量的,这与粒子物理学的标准模型相反。没有其他的方法来解释从太阳探测到的中微子。仙女座星系

事实上,人们越来越意识到,天文尺度是探测中微子质量效应的绝佳场所。因为中微子对早期的宇宙有影响,所以它们会在当今宇宙的物质分布中留下蛛丝马迹。伦敦大学学院本周发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上的一项研究,利用一项名为MegaZ的新调查,结合现有的天文数据,对70万个星系的位置进行了调查,得出了中微子可能质量的严格上限。极限规定质量必须小于0.3电子伏特——这是单个原子的十亿分之一的零头。这个“上限”水平实际上特别重要,因为它正在接近其他观测结果设定的质量“下限”(比如来自太阳的中微子)。我们把结果压缩在下界和上界之间;迟早我们会得到实际质量的测量值。

在这个背景下,新的上限比以前的星系调查设定的限制要严格2倍。但是,另一方面,它实际上并不比宇宙中另一种物质示踪剂——所谓的莱曼阿尔法森林——的研究设定的极限要严格得多。这项新工作的好处是,从星系中进行计算时所做的一些假设与从莱曼α森林中进行计算时所做的假设相当不同。所以这两种方法都指向相同的极限,这意味着我们可以越来越确信中微子的质量小于0.3电子伏特。也就是说,这些计算的方式仍然是假设的,所以有可能随着新的和更有约束力的调查的出现,这些限制将不得不被修改。

但总的来说,令人兴奋的是,与地球上的直接实验相比,天文观测可以告诉我们更多关于一个微小的、难以捉摸的粒子的信息。

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