宇宙中最小“幽灵粒子”质量首获上限！快抓住它

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近日，英国科学家使用与整个宇宙结构有关的数据，设定了宇宙间最小、最难研究组成部分之一——中微子家族中最轻成员的质量：不超过0.086电子伏特（eV），约为单个电子质量的600万分之一。

宇宙间的“隐身人”

中微子是构成物质的基本粒子之一，广泛存在于宇宙中。它个头小，如同鬼魅一般，基本不与任何物质发生作用，因而难以捕捉和探测，被称为宇宙间的“隐身人”。

正是因为如此，虽然每秒钟都会有来自太阳的数以千亿计的中微子穿过我们的身体，但我们对此毫无知觉。

中微子总共有三种类型：陶（τ）子中微子、缪（μ）子中微子和电子中微子。理论推测，它们会随着周围环境或由自身触发在这三种类型间不断转化，这也被称为“中微子震荡”。

50年过去，

明知“分量”很重，

却不知“质量”几何

尽管经过50多年的追寻，科学家们仍对它们所知甚少，甚至不知道它们的质量。

照片显示的是一个圆柱形反中微子探测器的内部。图片来源：美国趣味科学网站

但科学家们知道，中微子的行为会改变整个星系和其他巨大天体结构的行为，所以，在即将发表于《物理评论快报》杂志上的一篇新论文中，研究人员利用这一事实，从对宇宙大尺度结构的精确测量中，反算出了最轻中微子的质量（有三个中微子质量）。

研究人员从重子振荡光谱调查中获取了约110万个星系的运动数据，并结合其他宇宙学信息和地球上中微子实验获得的结果，然后将所有这些信息输入一台超级计算机内。

研究合著者、伦敦大学学院天体物理学博士生安德烈·库丘在一份声明中说：“超级计算机耗时50多万小时来处理数据，这个项目突破了宇宙学大数据分析的极限。”

最新研究并没有为最轻中微子的质量提供固定数值，但它缩小了范围：这一中微子的质量不超过0.086电子伏特（eV），约为单个电子质量的600万分之一。

据物理学家所知，三种中微子中至少有两种有质量，且它们的质量之间存在着某种关系。最新研究还为三种中微子的混合质量设定了上限：0.26eV。

研究指出，物理学家可能永远无法精确地确定这三种中微子的质量，但他们可以不断接近。随着地球上的实验和太空测量的改进，中微子的质量限制将不断缩小，从而更好地解释整个宇宙是如何组合在一起的。

轻如尘、快似光，

中美日“三剑客”追你没商量

轻如尘、快似光，能够轻易穿越各种物体，还能时不时“变身”——中微子无疑是基本粒子世界里的“隐世高手”；此外，它们或许还背负着有关宇宙大爆炸的绝世秘密。正因如此，任何关于它们的线索都可谓价值连城。

有鉴于此，科学家们新建了一些实验装置，希望“掀起它的盖头来”。

中国科学院高能物理学家所曹俊研究员说：“中微子探测器需要一个极干净的环境：需要放在很深的地下，用岩石阻挡宇宙射线；需要泡在水中，用水来阻挡来自岩石、空气等的天然放射性。”

据共同社等日本媒体8月21日报道，日本文部科学省将建设探测中微子的下一代“顶级神冈”探测器，这一中微子探测器计划于2025年后投入使用，旨在揭示宇宙起源和物质诞生等谜团。

迄今，人类对于中微子的研究已经超过了半个世纪，但对于中微子的性质至今仍然没有详细的了解，甚至连它的确切质量也不清楚。

曹俊介绍，除了“顶级神冈”，中国江门中微子实验装置（JUNO）、以及“深部地下中微子实验”（DUNE）也分别将于2022年和2026年“上岗”，这三大中微子实验，有望为我们揭开宇宙中最难以捉摸的幽灵粒子的“神秘面纱”。

俗话说，“非常之人，需用非常之法”，即将上线的“三剑客”都隐藏在深深的地下。

打头阵的是位于中国广东的正在建设的江门中微子实验装置（JUNO），它是中国前所未有的最复杂的高能物理实验装置。与目前最好的国际同类装置相比，它的规模大20倍，精度提高近一倍。

中微子探测器示意图：球形的中微子探测器置于水池中心，上下与四周均被2米以上的水包围以屏蔽本底，在水池顶部采用径迹探测器作为反符合探测器，钢网架上安放光电倍增管以探测并收集中微子事例。图片来源：江门中微子实验官网

据曹俊介绍，江门中微子实验2015年开始建设，计划2021年底完成探测器建造。这一实验装置包括位于地下700米的地下洞室、大型水池、一个装满2万吨液体闪烁体和光电倍增管的中微子探测器以及少量配套的设施。

液体闪烁体是探测中微子的介质。当大量中微子穿过探测器时，偶尔会在探测器内发生反应，发出极其微弱的闪烁光，从而被光电倍增管探测到。

曹军表示：“江门中微子实验旨在测定中微子质量顺序、精确测量中微子混合参数，同时也将研究大气中微子、太阳中微子、超新星中微子、地球中微子等。测定中微子质量顺序，不仅能对理解微观的粒子物理规律做出重大贡献，也将对宇宙学、天体物理、乃至地球物理做出重大贡献。”

据美国趣味科学网站8月20日报道，设在美国的“深部地下中微子实验”（DUNE）由两部分组成，一部分位于费米实验室，包括一个巨大的中微子枪，其会将质子加速到接近光速，将其粉碎，在终端每秒射出数万亿个中微子。

这些中微子将从费米实验室出发，沿直线前进，直到它们撞上第二部分——约1300公里外、位于地下深处约1600米的桑福德地下研究设施，此处的探测器里约装有40000吨液态氩。

据悉，DUNE实验室能够更好地描述中微子震荡的特性；此外，DUNE实验室还能探测到银河系和邻近星系中超新星释放的中微子等。

DUNE被认为是美国未来几十年的“旗舰实验室”，来自多个国家的专家将对实验室获得的数据进行分析，进一步了解中微子的“性格”。

日本文部科学省8月21日确定了在岐阜县飞騨市建设下一代中微子探测器—“顶级神冈”（Hyper-K）探测器的方针，这一探测器是日本现有“超级神冈”探测器的后继设施。

超级神冈探测器

“超级神冈”位于一座山下1000米深处，其光传感器浸没于5万吨纯水中。1998年，“超级神冈”提供了首个确凿证据，证明中微子和反中微子可以在三种类型之间震荡，项目负责人梶田隆章因此荣膺2015年诺贝尔物理学奖。

而“顶级神冈”探测器将建于地下约650米处，主体设施为直径74米、高约60米的圆柱状水槽，其规模是“超级神冈”的5倍以上。水池壁上设置约4万个传感器捕捉太空中飞来的中微子在水中发生反应后发出的微弱光。

“顶级神冈”将在2025年左右开始寻找自然界（比如核聚变和超新星）产生的中微子。由于设施巨大、传感器性能高，“顶级神冈”不仅在探测超新星方面更高效，也有望揭示为什么宇宙主要由物质而非反物质构成。

理论学家称，理解这一点的关键是测量中微子和反中微子之间的不对称性，特别是两者在不同类型之间震荡的速度差异。“超级神冈”已看到相关线索，“顶级神冈”应能进行更精确测量。

希望即将上线的这三大“剑客”能“醉里挑灯看剑”，让中微子的“身世秘密”大白于天下。或许，在此过程中，会涌现多个诺贝尔奖获得者，谁知道呢？

栏目主编：陶峰 文字编辑：程沛 题图来源：视觉中国 图片编辑：苏唯

原文地址：今日头条