第四种“惰性”中微子触手可及
为阐释星系团与宇宙背景辐射之间分歧给出答案
中微子是宇宙中最丰富、最神秘的一种粒子。人们只知道中微子有质量，却不知道其重几何；只知道中微子至少有3种类型，或者说3种“味”，但其实可能还有更多类型。一项最新研究发现，如果中微子比通常认为的更重，那么存在于星系团观测和宇宙背景辐射测量结果之间的失配现象将有望得以解释。该研究还表明：第4种至今未被发现的中微子或许真的存在。
当前，关于星系团和宇宙微波背景之间的张力问题正讨论得热火朝天，尽管在未来几年，通过获得更好的测量结果，这个问题可能会轻易解决。背景辐射显示，早期宇宙中存在很小的密度差异，这最终使得一些地方有物质集聚而另一些地方形成空洞。通过观察星系团在宇宙中的扩散，人们能够在近期宇宙中看到这种集聚形成的“最终产品”。
对于宇宙背景辐射最好的测量结果来自2013年3月欧洲空间局的在轨普朗克望远镜。另一方面，对于星系团的测量结果来自不同的方法，其中包括通过寻找引力透镜效应或由其引起的光线弯曲绘制物质在宇宙中的扩散图。然而，这两种测量结果并不一致。“我们将早期的宇宙和晚些时候的宇宙作了对比，并在两者间推断出一个模型。”该项研究近日发表在《物理评论快报》上。作为论文的共同作者，英国曼彻斯特大学的Richard Battye说：“如果你坚持这个模型符合宇宙微波背景数据，那么你找到的星系团数量会比预料中的少一半。”#p#分页标题#e#
如果中微子阻碍了星系团形成的过程——当然假若中微子拥有足够大的质量，这种可能性是存在的，那么这种差异便可以解释了。人们认为，在过去的某个时间，宇宙跨过了一个同中微子质量相对应的能量阈：当宇宙在其早期生命中变得非常炎热且密度很大时，中微子应该是一种相对论性粒子，运动速度相当于光速。在这种状态下，出于中微子自身的重力吸引，它们不会集聚在一起。然而，在宇宙冷却且跨过能量阈后，中微子的速度慢了下来，开始以亚光速运动。随后，它们最终开始和宇宙中的其他物质集聚在一起，形成星团。Battye说：“你在宇宙中能看见的星系团数量，是中微子质量的函数。”中微子的质量越大，其对整个宇宙物质密度的贡献就越大。同时，它们在一定程度上抑制了星团形成的过程。
Battye及其合作者、英国诺丁汉大学的Adam Moss发现，如果已知3种中微子的质量加起来能达到约0.32电子伏特(误差不超过0.081)，那么人们今天可见的星团数量就能得到解释。此前的推测只是提示，这3种中微子质量的总和必须超过0.06电子伏特。
美国伊利诺伊州埃文斯顿西北大学理论物理学家Andre de Gouvea并未参与此项研究。他表示，如此大的总质量令人惊讶并且很有趣，这会带来很多积极的影响。例如，该研究将表明中微子的3种“味”——电子中微子、μ中微子和τ中微子——几乎拥有完全相同的质量，而这的确有些出乎意料。de Gouvea说，这“将会影响我们在理解中微子质量背后隐藏的机制时所采用的方式”。
此外，Battye和Moss发现，有证据表明，第四种“惰性”型中微子可能存在。“这个想法非常激动人心。”未参与该研究的麻省理工学院物理学家Joseph Formaggio认为，人们所预料的是3种中微子，第4种中微子正在颠覆书本上的知识——这种物理现象已经超越了人们所谓的标准模型。“3种已知的中微子拥有异乎寻常的能力，可以从1种‘味’转变为另1种‘味’。惰性中微子不能变换‘味’，而且同已经很‘沉默’的其他‘味’相比，它与普通物质间的相互作用更少。”#p#分页标题#e#
一直以来，理论家都认为惰性中微子可能存在，不过迄今为止关于惰性中微子的证据一直难以捕捉。从最近一些粒子加速器实验中获得的提示表明，它们确实存在。“真正有意思的是，根据Battye和Moss的研究，这种惰性中微子的质量和其他实验所看到的一致。”Formaggio说，“我觉得人们正在开始研究这些数据并且断定或许惰性中微子真的存在。”
无独有偶。另一项支持惰性中微子想法和中微子质量应该更重的研究，也发表在同一期《物理评论快报》上。这项由芝加哥大学Mark Wyman领导的工作，同样研究了普朗克数据和星系团之间的张力问题，并且得出了与Battye和Moss相似的结论。
曾经在若干年里，人们认为中微子是完全无质量的，但关于它们能互换“味”的发现又证明中微子至少有一点点质量。每一种“味”的状态被认为是3种中微子未知质量的混合，目前被称为m1、m2和m3。这种混合便是为何经过一段时间，任何一种“味”都有机会变成其他“味”的原因所在。Formaggio解释说，只有质量状态彼此不同，这种转换才有可能发生；而只有中微子的质量非零，这种质量上的不同才有可能。
那些想在中微子变换“味”时将其捕获的试验能够帮助确定中微子质量间的差异，并且告诉人们哪个会更重一些，也就是所谓的中微子质量层级。最近，一项被称为NuMI离轴中微子实验(NOvA)的类似研究测量了产生的首批中微子。该试验在芝加哥附近的费米国家加速器实验室生成了一束中微子，然后将其发送至两个探测器——一个靠近费米实验室，一个在800公里外的明尼苏达灰河。一开始，所有的粒子都以μ中微子形式存在，但有极少数在到达遥远的探测器时已经变成了电子中微子，从而产生一种不同的特征径迹。这种情况发生的频率与电子中微子和μ中微子质量间的差异有关。#p#分页标题#e#
另一项在日本进行的名为T2K工程的试验也在寻找这些转换。合作小组近期宣称，他们已经观测到了创纪录的28种从μ中微子到电子中微子的可能转换形式，其中大约只有5种据估测是其他过程“冒充”的。这是迄今为止该类型的中微子振荡中最强有力的证据，尽管还需要更多的数据来回答关于中微子质量的问题。Formaggio说：“这有点像长跑比赛中的英里标志牌。”
NOvA项目副主任Rick Tesarek认为，这两项试验是互补的。“有些试验能力NOvA具备，但T2K不具备。”反之亦然。这些试验运用了不同的探测器技术，并产生了不同的效果，其中NOvA工程在其中微子束和远程探测器间拥有更长的距离。
随着这些试验收集到更多的数据，中微子质量之谜有望揭开。接下来的若干年里，科学家还应当弄清楚星系团测量结果和宇宙背景辐射数据是否真的不相符以及由此带来的问题：这种不一致是否指向了更重的中微子质量和一种惰性中微子的存在。Battye说：“测量结果总是在不断地改进。我预测5年内我们有望知道这是否正确。”
