【博科园-科学科普】中微子如何能解决物理学中最重要的三个问题？
对宇宙的详细研究表明：是由物质而不是反物质组成的，需要暗物质和暗能量，而且我们不知道这些奥秘的起源。图片版权：Chris Blake and Sam Moorfield
当你仔细观察宇宙的时候，有一些事实会让你吃惊：所有的恒星、星系、气体和等离子体都是由物质而非反物质组成的，尽管自然界的规律似乎是对称的。为了形成在宇宙最大规模尺度上看到的结构，需要大量的暗物质：大约是所拥有的所有正常物质的5倍。为了解释膨胀率是如何随时间变化的，需要一种神秘的空间固有的能量形式，它是所有其他形式组合的能量的两倍(就像能量一样重要)——暗能量。这三个谜题可能是21世纪最伟大的宇宙问题，然而一个超越标准模型的粒子——中微子，也许可以解释所有的问题。
粒子物理学标准模型的粒子和反粒子与实验所要求的完全一致，只有大量的中微子提供了一个难点。图片版权：E, Siegel / Beyond the Galaxy
在物理宇宙中有两种标准模型：
1、粒子物理学的标准模型(上图)，有六种不同的夸克和轻子，它们的反粒子，标准玻色子，以及希格斯粒子。
2、宇宙学的标准模型(下图)，有暴涨的大爆炸，物质而不是反物质，以及形成恒星，星系，星系团，细丝（宇宙网）和现在宇宙的结构形成的历史。
这两种标准模型都是完美的，它们解释了我们所能观察到的一切，但都包含了无法解释的奥秘。从粒子物理学的角度来看，为什么粒子质量有它们所做的价值，而在宇宙学方面，存在着暗物质和暗能量的奥秘，以及它们为何(以及如何)主宰宇宙。
宇宙中现在（左）和更早（右）的物质和能量含量。注意暗能量，暗物质的存在以及普通物质比反物质的普遍存在，这是非常微小的，它在任何时候都没有发生作用。图片版权：NASA, modified by Wikimedia Commons user 老陳, modified further by E. Siegel
所有这一切的一个大问题是：粒子物理的标准模型完美解释了我们所观察到的一切——每一个粒子，相互作用，衰变等等。我们从来没有在对撞机、宇宙射线或其他任何与标准模型的预测相反的实验中观察到单独的相互作用。唯一的实验提示是：标准模型并没有给出所观察到的所有东西，这就是中微子振荡的事实：一种中微子在穿过空间的过程中转换成另一种中微子，特别是通过物质。只有当中微子有一个很小很小的非零质量，而不是标准模型所预测的无质量性质时，这种情况才会发生。
如果从一个电子中微子(黑色)开始，并允许它穿越空的空间或物质，它将有一定概率可能性进入其他两种类型中振荡，只有当中微子有非常小而非零的质量时才会发生。图片版权：Wikimedia Commons user Strait
那么，为什么中微子是如何得到它们的质量的呢？又为什么这些物质与其他物质相比如此之小?
一个电子的质量差，最轻的正常标准模型粒子和最重的可能中微子之间的质量差异大于400万倍，这个差距甚至比电子和顶夸克之间的差距还要大。图片版权：Hitoshi Murayama
更奇怪的是，当仔细看这些粒子的时候。所观察到的每一个中微子都是左手性的，这意味着如果把左手的大拇指指向某个方向，手指就会向中微子的方向弯曲。另一方面，每一个反中微子(字面上)都是右撇子——右手拇指指向它的运动方向，手指在反中微子的旋转方向上弯曲。每一个存在于粒子和反粒子之间的费米粒子，包括等量的左旋和右撇子类型。这种奇异的性质表明中微子是马约喇纳(而不是普通的狄拉克)费米子，它们在那里表现为自己的反粒子。
为什么会是这样呢？最简单的答案：这是通过一个称为“跷跷板”的机制。
如果你从左手和右手相等的质量（绿点）开始，但是一个巨大的质量落在跷跷板的一侧，它会产生一个可以作为暗物质候选的超重粒子作为右手中微子）和非常轻的正常中微子（充当左手中微子）。这种机制会导致左手中微子作为马约拉纳粒子。图片版权：public domain image, modified by E. Siegel
如果有典型质量“正常的”中微子可以与其他标准模型粒子相当。左手中微子和右手中微子将是平衡的，并且将具有大约100 GeV的质量。但是，如果有一些非常重的粒子，比如在某种超高尺度（大约10^15 GeV，典型的大统一尺度）中存在的黄色粒子（上图），它们可能落在跷跷板的一侧。这个质量会和“正常”的中微子混合在一起将会得到两种类型的粒子：
1、一个稳定中性弱相互作用的超重右手中微子（大约10^15 GeV），沉降在跷跷板的一边的重质量而变得“沉重”失衡
2、一种轻而中性弱相互作用的“正常”质量平方的左旋中微子重质量大约(100gev)2 /(10^15 GeV)或约0.01 eV。
第一类粒子很容易成为我们需要的暗物质粒子的质量：一类被称为WIMPzillas的冷暗物质的候选物质。这可以成功地复制需要恢复观测到的宇宙的大尺度结构和引力效应。同时，第二个数字与我们今天宇宙中的中微子的实际允许质量范围非常吻合。考虑到一个或两个数量级的不确定性，这可以准确地描述中微子如何作用的。给出了一个暗物质的候选，为什么中微子会如此轻的解释，以及其他三件有趣的事情。
宇宙的预期命运（前三个图）都对应于一个物质和能量与最初膨胀速度相“抵抗”的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速度是由某种类型的暗能量引起的，但迄今为止还无法解释。图片版权：E. Siegel / Beyond the Galax
暗能量：如果你试图计算出宇宙零点能量或者真空能量，那么会得到一个荒谬的数字：Λ〜（10^19 GeV）4左右。如果你听说有人说暗能量的预测太大了，大约120个数量级，这是他们从那里得到的数据，但是如果你替换这个数据10^19 GeV的中微子的质量在0.01 eV，便会得到一个数据：Λ~(0.01 eV)^4，与周围我们测量的值几乎完全匹配。这并不是什么证据，但它很有启发性。
当电弱对称性破坏时，由于sphaleron相互作用对中微子过量的影响，CP违反和重子数违规的组合可以产生物质/反物质不对称的情况。图片版权：海德堡大学
重子不对称性：需要一种在早期的宇宙中产生比反物质更多的物质的方法，如果我们有这种跷跷板的场景，一个可行的方法来做到这一点。这些混合状态的中微子可以通过中微子部分产生比反轻子更多的轻子，从而引起宇宙的不对称。当弱电对称断裂，一系列被称为sphaleron相互作用然后可以产生一个宇宙具有比轻子更重子的相互作用，因为重子数（B）和轻子数（L）不是存在：只是结合B - L。无论从哪一个轻子不对称开始，都会被转换成等重子和轻子不对称。例如，如果从X的轻子不对称开始，这些sphalerons自然会给有一个“额外”量的质子和中子等于X / 2的宇宙，同时会有相同的X / 2量的电子和中微子的结合。
当原子核经历双中子衰变时，两个电子和两个中微子会以传统方式发射。如果中微子服从这种跷跷板机制，并且是马约喇纳粒子，那么中微子的双衰变应该是可能的。实验正在积极寻找。图片版权：Ludwig Niedermeier, Universitat Tubingen / GERDA
一种新型的衰变：中性中微子双β衰变。暗物质，暗能量和重子不对称的来源的理论思想是令人着迷的，但是需要一个实验来检测它。直到我们可以直接测量大爆炸中剩余的中微子（和反中微子），由于这些低能中微子的横截面很小，这个实际上是不可能的事情，我们不知道如何测试中微子是否具有这些中微子性质（马约喇纳）或不具有（狄拉克)）。但是，如果发生没有中微子的双重β衰变，我们就会知道中微子毕竟具有这些（Majorana）性质，而这一切都可能是真实的。
10年前的格尔达实验(GERDA实验)对中微子双β衰变做了最强的限制。在这里展示的马略亚纳实验，有可能最终探测到这种罕见的衰变。如果它存在可能预示着粒子物理学的一场革命。图片版权：The MAJORANA Neutrinoless Double-beta Decay Experiment / University of Washington
也许具有讽刺意味的是：粒子物理学的最大进步——超越标准模型的巨大飞跃，可能不是来自我们在高能的实验和探测器上，而是来自谦卑，耐心地寻找一种超稀有的衰变。中微子双β衰变的寿命超过2×10^25 年，如果它存在，接下来的十年或二十年的实验应该验证这个衰变。到目前为止，中微子是超越标准模型的粒子物理的唯一线索。
如果中微子双β衰变是真实的，那么它可能是基础物理的未来。它可以解决当今困扰人类的最大的宇宙问题。如果大自然对是友善的，未来将不会是超对称，额外维度或弦理论。我们可能只是在进行中微子革命！
知识：科学无国界，博科园-科学科普
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
内容：“博科园”判定符合今主流科学
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
解答：本文知识疑问可于评论区留言
传播：博科园
发表于 2018-1-3 04:28
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