首界定最輕微中子的最大質量上限,比電子輕 1,000 萬倍

作者 | 發布日期 2019 年 08 月 23 日 17:55 | 分類 天文 , 尖端科技 , 自然科學 follow us in feedly


每秒鐘都有數十億個「幽靈粒子」穿越你的身體,它們很少與一般物質相互作用,所以我們感覺不到,這種粒子就是「微中子」。面對幾乎沒有質量的微中子,科學家現在終於計算出最輕微中子的質量──比電子還要輕 1,000 萬倍。

微中子(Neutrino)如字面上是微小的電中性粒子,屬於輕子的一種,不參與強交互作用和電磁交互作用,只參與重力交互作用及弱交互作用,它們能穿越宇宙各種極端環境但不留下任何痕跡,連行經強大的磁場區域也不會受到影響。

在地球附近檢測到的微中子大多來自太陽內部的核反應,事實上,地球面向太陽的區域每秒、每平方公分都會穿過約 650 億個來自太陽的微中子,甚至每秒鐘就有數十億個微中子穿越你的身體,只是它們不與一般物質相互作用所以難以察覺。

微中子還分成 3 種「味」:電微中子(νe)、緲微中子(νμ)以及濤微中子(ντ),倫敦大學學院物理學家 Arthur Loureiro 解釋道,你可以用冰淇淋的草莓、巧克力、香草 3 種口味來想像微中子的 3 種「味」:它們本質上是一樣的東西,只是內部各種比例不同而導致 3 種微中子出現不同行為,比如質量不相同。

先前研究已表明微中子具有質量,天文學家梶田隆章(Takaaki Kajita)、阿瑟‧麥克唐納(Arthur B. McDonald)因此獲得 2015 年諾貝爾物理學獎。然而微中子的質量和其他亞原子粒子相比依舊微不足道,甚至確切質量依然沒被測定出來,現代物理學使用的標準模型也還未更新 3 種微中子的質量分配,僅給出一個嚴格約束:3 種微中子質量之和不大於 0.3 eV。

這是因為我們大多只能檢測微中子的間接影響,而非微中子本身,要測量其微乎其微的質量簡直難上加難。

現在,來自倫敦大學學院、里約熱內盧聯邦大學、巴黎天體物理研究所、聖保羅大學的科學家們,首次確定了最輕微中子質量的上限值:0.086 eV。

要計算微中子的質量,研究人員分析了由重子振盪光譜巡天計畫(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,BOSS)收集的 110 萬個星系數據,接著利用倫敦大學學院的超級電腦 Grace 計算(如果用一般處理器分析這筆龐大數據可能要運算 60 年),得出最輕微中子最大質量只有 0.086 eV,比電子還要輕 1,000 萬倍;而 3 種微中子的質量上限總和修正為 0.26 eV。

精確估計微中子的質量對未來宇宙學研究非常重要,因為微中子很可能是現在唯一一種已被探測出的暗物質,歐洲太空總署正在開發下一代大型太空望遠鏡「暗能量光譜儀(Dark Energy Spectroscopic Instrument,DESI)」,將繪製宇宙暗物質與暗能量的結構分布。

(首圖來源:shutterstock)

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