中微子的微小质量如何帮助解决大谜团

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O在宇宙中所有已知的粒子中，只有光子的数量超过了中微子。然而，尽管中微子数量众多，却很难捕捉和检测，因为它们与物质的相互作用非常微弱。每秒钟大约有一千万亿个幽灵般的粒子穿过你的身体，甚至连一个原子都不会退缩。

“它们无处不在，而我们甚至不知道它们的体重，这有点疯狂，”他说黛博拉·哈里斯他是芝加哥和多伦多约克大学费米国家加速器实验室的物理学家。

物理学家长期以来试图称重鬼魂。今年九月，经过18年的规划，建设和校准的，卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验在德国西南部宣布它的第一个结果是:中微子的重量不超过1.1电子伏(eV)，大约是电子质量的150万分之一。

“当我在研究生院的时候，我的课本上都说中微子没有质量，”哈里斯说。

这个最初的估计，仅用了一个月的数据，改进了之前使用类似技术测量中微子质量上限为2ev的方法。随着数据的积累，KATRIN的目标是确定实际质量，而不是给出一个上限。

质量是基本粒子最基本、最重要的特征之一。中微子是唯一已知的质量仍是个谜的粒子。测量它的质量将有助于指出标准模型之外的新的物理定律。标准模型非常成功地描述了宇宙中已知的粒子和力是如何相互作用的，但却不完整。它的测量质量也可以用来检验宇宙学家关于宇宙如何演化的理论。

“取决于中微子的质量结果是什么，它可能导致宇宙学中的非常令人兴奋的时期，”说戴安娜Parno他是卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的物理学家，也是KATRIN团队的成员。

直到大约20年前，中微子还被认为是无质量的。中微子在1930年被理论上预测，1956年被发现。“当我在研究生院的时候，我的课本上都说中微子没有质量，”哈里斯说。

这改变时，在发现将赢得2015年诺贝尔文学奖，物理学家发现中微子可以从一种变形到另一个，三“味”状态之间振荡：电子，μ介子和tau。只有在中微子也有三种可能的质量状态，这些振荡才能发生，其中每种味道具有在三种肿块中的每一个中的不同概率。大众州通过不同的空间行进，因此当中微子从点到点B开始时，这种概率混合会发生变化，并且检测器可以测量不同的味道。

如果有三种不同的质量状态，那么它们不可能都是零——因此，中微子有质量。根据最近的中微子振荡数据(这揭示了质量状态之间的差异，而不是它们的实际值)，如果最轻的质量状态是零，最重的必须至少为0.0495 eV。

仍然，与其他颗粒的质量相比，物理学家不确定如何获得这种微小的群众。标准模型中的其他颗粒通过与HIGGS字段相互作用而获得质量，填充所有空间的能量领域并拖动大规模粒子。但对于中微子，“质量如此之小，你需要一些额外的理论来解释，”Parno说。

弄清楚中微子如何获得质量可能解决其他，看似相关的奥秘，如为什么在宇宙中的反物质更重要。竞争理论为批量生成机制预测三种质量状态的值不同。虽然中微子振荡实验测量了质量状态之间的差异，但像KATRIN这样的实验专注于这三种状态的平均。结合这两种类型的测量可以揭示每一种质量状态的值，这有利于中微子质量的某些理论。

中微子质量在宇宙中也很重要。尽管中微子的质量极小，但在大爆炸期间诞生了如此多的中微子，以至于它们的集体引力影响了宇宙中所有物质聚集成恒星和星系的方式。大爆炸大约一秒钟后，中微子以近乎光速的速度在周围飞行——速度如此之快，以至于它们摆脱了其他物质的引力。但随后它们开始减速，这使它们能够帮助聚集原子、恒星和星系。中微子开始减速的时间点取决于它们的质量。较重的中微子会更快地减速，从而使宇宙变得更粗糙。

通过测量宇宙丛，宇宙学家可以推断中微子的质量。但是这种间接方法铰接的假设是宇宙的模型是正确的，因此如果它给出不同的答案而不是中微子质量的直接测量，这可能表明宇宙理论是错误的。

到目前为止，间接宇宙学方法比像KATRIN这样的实验直接测量质量更灵敏。最近宇宙数据来自普朗克卫星的数据表明，三种中微子质量状态的总和不可能大于0.12 eV，而在8月，又出现了另一种分析宇宙学观察发现，最轻的质量必须小于0.086eV。这些都远远低于卡特林的上限，所以两种方法之间没有矛盾。但随着Katrin收集更多数据，可能会出现差异。

期待已久的KATRIN实验使用氚(氢的重同位素)来对中微子进行称重。当氚经历衰变时，它的原子核会释放出一个电子和一个电子味的中微子。通过测量最有能量的电子的能量，物理学家可以推断出电子中微子的能量，从而推断出电子中微子的质量(或者实际上是三个质量的加权平均值)。

如果卡特琳发现大约0.2或0.3 ev，宇宙学家将难以调和他们的观察，说人的旺销他是石溪大学的宇宙学家。一种可能的解释是，一些新现象导致中微子质量的宇宙学影响随着时间的推移而减弱。例如，中微子可能会衰变成更轻的未知粒子，其接近光速的速度使它们无法将物质聚集在一起。或者是中微子的质量机制在宇宙历史上发生了变化。

另一方面，如果中微子的质量接近宇宙学观测的预测，KATRIN就没有足够的灵敏度来测量它。它只能将中微子的重量降到0.2 eV。如果中微子比这轻，物理学家将需要更灵敏的实验来接近它的质量，并解决粒子物理学和宇宙学问题。三个可能更为敏感的项目——Project 8，电子捕获钬和holmes——已经在使用概念验证仪器采集数据。

Marcus Woo是旧金山湾区的一名科学记者。他的作品已出版《连线》杂志，《新科学家》，国家地理，史密森尼人，NPR，BBC和其他出版物。