附近的超新星可能揭示幽灵般的中微子的秘密生活

拓破天峙

艺术家对超新星的印象，它可以产生大量的中微子。(图片鸣谢:NASA/CXC/M. Weiss)

据美国太空网（基思·库珀）：物理学家在理解被称为中微子的幽灵粒子如何相互作用方面取得了飞跃，他们模拟了从爆炸的恒星逃逸到太空中的中微子如何像高速液体一样流动。

中微子之间的这种相互作用可能对理解大爆炸以及超越标准模型的物理学有所启示。然而，为了证实这些难以捉摸的相互作用是如何发生的，天文学家需要等待我们银河系中的下一颗超新星。

在物理学标准模型的所有粒子中，中微子是科学家们了解最少的。它们的质量非常小，几乎不与正常物质相互作用，可以自发地从一种类型的中微子转变为另一种类型的中微子，并且在整个宇宙中无处不在——现在有数万亿个中微子穿过你的身体。

中微子也很难被探测到。一根一光年长的铅条才能阻挡一半穿过你的中微子。它们与物质的相互作用如此之少，以至于世界领先的中微子探测器，位于南极的冰立方中微子天文台，平均每天只探测到275个中微子。

然而，有时中微子会激增——例如，来自附近的超新星。400多年来观测到的最近的超新星是SN 1987A，位于我们银河系的卫星星系大麦哲伦星云中。据估计，它产生了令人难以置信的10^58中微子，但地球上的探测器只观测到了其中的25个。然而，俄亥俄州立大学的研究人员现在已经利用这25次检测来研究中微子能够相互作用的神秘可能性。

根据标准模型，中微子应该可以相互作用。这种相互作用可能会产生巨大的后果，有助于解释大量中微子的起源，为什么宇宙中有这么多中微子，它们如何在大爆炸的宇宙微波背景(CMB)辐射上留下印记，为什么宇宙缺乏反物质，甚至中微子如何在早期宇宙中帮助形成暗物质。这种联系来自于中微子振荡成不同味道的能力——通常是电子、轻子和τ中微子，但第四种形式的中微子被称为无菌中微子也已被假设。无菌中微子可能是暗物质身份的候选者之一。然而，到目前为止，还没有发现无菌中微子的实验证据。



超新星1987A的残骸，由哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台和ALMA联合拍摄。(图片来源:NASA/ESA/a . Angelich(NRAO/AUI/美国国家科学基金会))

为了更好地理解这些中微子的自我相互作用，由天体物理学家Po-温昶领导的俄亥俄州团队根据相对论流体力学对SN 1987A的中微子信号如何出现进行了建模，相对论流体力学描述了紧密耦合在一起的粒子在接近光速时的行为，中微子就是如此。以这种方式充当一种准液体将使中微子能够相互作用。

在相对论流体力学下，中微子可以以两种方式之一从超新星中“流出”。第一种是“爆发式外流”，类似于在太空中爆开一个气球，产生的能量向四面八方扩散。第二种可能性被认为更有可能是“风外流”，它想象能量通过无数喷嘴从爆裂的气球中逸出，这将产生更一致的中微子流率。每种类型的外流都会在超新星的中微子信号中产生自己独特的模式。然而，Chang的团队发现，SN 1987A探测到的中微子数量不足以排除这两种机制中的任何一种。

“超新星的动力学是复杂的，但这一结果是有希望的，因为有了相对论流体力学，我们知道在理解它们如何工作方面现在有了一个岔路口，”Po-温昶在一份声明中说。

该团队强调，他们的工作在理解中微子如何从爆炸的恒星散射方面向前迈出了一大步。一旦确定了确切的机制，物理学家将对中微子如何相互作用有更好的了解。为了实现这一点，需要来自附近另一颗超新星的新数据，从中可以测试中微子的爆发和风流机制。问题是，在银河系或它的卫星邻居中，可见的超新星确实很罕见。

“我们总是祈祷另一个银河超新星在某个地方很快发生，但我们能做的最好的事情就是在它发生之前尽可能多地利用我们所知道的东西，”Chang说。

中微子的相互作用也被视为超越标准模型的新物理学的门户。将我们的物理学知识扩展到革命性的新领域对于物理学家来说非常重要，他们希望解释许多宇宙学的最大奥秘，包括暗物质、暗能量、宇宙膨胀测量中的张力以及物质和时空的基本性质。

该小组的结果发表在本周的《物理评论快报》杂志上。