破天荒模擬解決微中子的「小」問題

作者 | 發布日期 2021 年 12 月 14 日 8:30 | 分類 尖端科技 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


微中子質量多少?這問題已困擾物理學家幾十年,雖然很小,但應該不太可能是零,或許就像腦筋急轉彎,要跳脫固有思維來找答案。

筑波大學、京都大學、東京大學物理學家使用新方法試圖模擬結果。技術上來說,科學家曾認為這種幽靈般粒子可能與光子一樣沒有質量,但20多年前,我們得知微中子有三種形式或說「味道」,並在移動過程會一直在這三種間相互轉換。正因為如此,科學家堅信微中子一定也有質量,若微中子沒有質量,會在真空以光速運動,時間對它們來說毫無意義,意即根本不會轉換形式才對。

在典型的物理模型,可將假設性物體如假想太陽系或一堆原子輸入電腦三度空間模擬,透過時間推移觀察最後會發生什麼。這種多體問題可用大尺度模擬達成,但次原子粒子相較經典粒子可能不會遵循相同規則,所以新模擬的研究人員從電漿物理學借鑑弗拉索夫模擬(Vlasov simulation)概念,而不是把微中子視為離散的經典物體,這概念是將其視為連續介質。

配合日本理化研究所計算科學中心的超級電腦模擬,將400兆網格及3,300億天體計算統合後,似乎準確重現宇宙微中子的複雜動力學,也同時為微中子的質量設定上限,即單電子的50萬分之一。

論文第一作者、東京大學的物理學家吉川浩司表示,未來工作需要調整細節,希望微中子質量測量更精確,且此創新法入圍2021年ACM戈登貝爾獎。此模擬大尺度結構的革命性新方法,不僅是物理學家渴望精確了解微中子的質量,同時也能應用電漿物理學。研究發表於電腦資訊科技全文資料庫(ACM digital library)。

(本文由 台北天文館 授權轉載;首圖來源:筑波大學

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