每秒钟都有数十亿个“幽灵粒子”穿越你的身体,它们很少与一般物质相互作用,所以我们感觉不到,这种粒子就是“微中子”。面对几乎没有质量的微中子,科学家现在终于计算出最轻微中子的质量──比电子还要轻1,000万倍。
微中子(Neutrino)如字面上是微小的电中性粒子,属于轻子的一种,不参与强交互作用和电磁交互作用,只参与重力交互作用及弱交互作用,它们能穿越宇宙各种极端环境但不留下任何痕迹,连行经强大的磁场区域也不会受到影响。
当地球附近检测到的微中子大多来自太阳内部的核反应,事实上,地球面向太阳的区域每秒、每平方厘米都会穿过约650亿个来自太阳的微中子,甚至每秒钟就有数十亿个微中子穿越你的身体,只是它们不与一般物质相互作用所以难以发现。
微中子还分成3种“味”:电微中子(νe)、缈微中子(νμ)以及涛微中子(ντ),伦敦大学学院物理学家Arthur Loureiro解释道,你可以用冰淇淋的草莓、巧克力、香草3种口味来想象微中子的3种“味”:它们本质上是一样的东西,只是内部各种比例不同而导致3种微中子出现不同行为,比如质量不相同。
先前研究已表明微中子具有质量,天文学家梶田隆章(Takaaki Kajita)、阿瑟‧麦克唐纳(Arthur B. McDonald)因此获得2015年诺贝尔物理学奖。然而微中子的质量和其他亚原子粒子相比依旧微不足道,甚至确切质量依然没被测定出来,现代物理学使用的标准模型也还未更新3种微中子的质量分配,仅给出一个严格约束:3种微中子质量之和不大于0.3 eV。
这是因为我们大多只能检测微中子的间接影响,而非微中子本身,要测量其微乎其微的质量简直难上加难。
现在,来自伦敦大学学院、里约热内卢联邦大学、巴黎天体物理研究所、圣保罗大学的科学家们,首次确定了最轻微中子质量的上限值:0.086 eV。
要计算微中子的质量,研究人员分析了由重子振荡光谱巡天计划(Baryon Oscillation Spectroscopic Survey,BOSS)收集的110万个星系数据,接着利用伦敦大学学院的超级计算机Grace计算(如果用一般处理器分析这笔庞大数据可能要运算60年),得出最轻微中子最大质量只有0.086 eV,比电子还要轻1,000万倍;而3种微中子的质量上限总和修正为0.26 eV。
精确估计微中子的质量对未来宇宙学研究非常重要,因为微中子很可能是现在唯一一种已被探测出的暗物质,欧洲太空总局正在开发下一代大型太空望远镜“暗能量光谱仪(Dark Energy Spectroscopic Instrument,DESI)”,将搭建宇宙暗物质与暗能量的结构分布。
(首图来源:shutterstock)