中微子怎樣可能解決物理學中三個最大的開放性問題撰稿人Ethan SiegelDEC 5, 2017 @ 10:00AM

從一聲爆炸開始

宇宙就在那裡, 等待著你去發現它。

福布斯撰稿人表達的觀點是他們自己的。

一個對宇宙的詳細的觀察揭示它是由物質而不是由反物質組成的,並且暗物質和暗能量是必需的,而且我們不知道這些奧秘的起源。

當你仔細觀察宇宙時,幾個蹦出來的事實可能正在讓你大吃一驚。所有在那裡的恆星、星系、氣體和等離子體都是由物質而不是反物質組成的,儘管自然界的法則在兩者之間是對稱的。為了形成我們在最大尺度上看到的結構,我們需要大量的暗物質:大約是我們所擁有的所有正常物質的五倍。為了解釋隨著時間的推移膨脹率是如何變化的,我們需要一種神秘形式的重要的像所有其它形式合在一起的空間本身所固有的兩倍的能量(就能量而言):暗能量。這三個謎題可能是二十一世紀最偉大的宇宙學問題,而一個超越標準模型的粒子------中微子------剛好可能解釋它們所有的。

粒子物理標準模型的粒子和反粒子與實驗所要求的完全一致, 只有大質量的中微子提供一個困難。

在物理宇宙中, 我們有兩種類型的標準模型:

1.粒子物理學的標準模型 (上),有六種風味的夸克和輕子、它們的反粒子規範玻色子和希格斯。

2.宇宙學的標準模型(下),有膨脹的大爆炸,物質而不是反物質和一個導致恆星、星系、星團、絲和現今宇宙結構形成的歷史。

這兩種標準模型在它們都能解釋我們能觀察到的一切的意義上是完美的,但都包含我們無法解釋的奧秘。從粒子物理學一面,有一個為什麼粒子質量有它們有的值的謎,而在宇宙學方面,有暗物質和暗能量是什麼以及為什麼 (和如何)它們來主宰宇宙的奧秘。

當前宇宙中的物質和能量含量(左)和在更早時間的 (右)。注意到暗能量、暗物質和正常物質勝過反物質的的普遍,這是如此微小它確實沒有貢獻倒任何倍數下降的。

所有這一切的大問題是粒子物理學的標準模型解釋我們所觀察到的一切------每一個粒子、相互作用、衰變等等------完美的。我們從未在一個對撞機、宇宙射線或其它與標準模型的預測的實驗中觀察到過一個背道而馳的交互作用。唯一的我們的標準模型沒有給我們觀察到一切的提示是中微子振蕩的事實：其中一種類型的中微子隨它通過空間、特別是通過物質轉變成另一種。這隻能在如果中微子有一個小的、微小的、非零的質量而不是標準模型所預測的無質量屬性的情況時才會發生。

如果你從一個電子中微子 (黑色)開始,並允許它旅行通過空的空間或物質,它將有一定的振蕩成其它兩種類型之一的概率,某些如果中微子有非常小的但非零的質量才能發生的東西。

因此,為什麼中微子得到它們的質量和它們是怎樣的以及為什麼這些質量與其它一切相比如此微小呢？

最輕的正常的標準模型粒子電子和最重的可能的中微子之間的質量區別是一個因素大於400萬的因素,一個甚至大於電子和頂夸克之間區別的空白。

當你更仔細觀察這些粒子時甚至腳下有更多的奇特性。你看,我們所觀察到過的每個中微子都是左手性的,意思是如果你把你的左手拇指指向某個方向, 你的手指就會在中微子自旋的方向上捲曲。另一方面,每一個反中微子(字面上)是右手性的:你的右手拇指指向它的運動方向而你的手指在反中微子的自旋方向上捲曲。所有其它的存在的費米子有一個粒子和反粒子之間的對稱性,包括相同數量的左手性和右手性類型。這一奇異的屬性暗示中微子是馬焦拉納（Majorana）費米子(而不是正常的狄拉克),其中它們表現的就像它們自己的反粒子一樣。

為什麼會這樣？最簡單的答案是通過一種被稱為"蹺蹺板機制"的想法。

如果你從相等的左手性和右手性質量開始(綠點),但一個大的、沉重的質量落在這個蹺蹺板的一側,它創造一個能作為一個暗物質候選的超重粒子(像一個右手性中微子一樣行為的)和一個非常輕的正常中微子 (像一個左手性中微子一樣行為)。這種機制將導致左手性中微子充當一個馬焦拉納粒子。如果你有有典型質量的"正常"的中微子------比較到其它標準模型粒子 (或電弱尺度的)------這將是預期的。左手性和右手性中微子將被平衡,並且將有一個大約100吉電子伏特的質量。但如果有非常重的存在於某一超高尺度(大約10¹⁵吉電子伏特,典型的大統一尺度的)象黃色的一個 (上面)粒子,它們可能在這個蹺蹺板的一邊著落的。這種質量將與"正常"的中微子混合在一起,你會得到了兩種類型的粒子:

· 一個穩定的、中性的、弱相互作用的極重右手性中微子(大約大約10¹⁵吉電子伏特),被著落在蹺蹺板一邊的重質量弄得沉重的,和

· 一個輕的、中性的、弱相互作用的左手性的在重的質量上平方的"正常"質量的中微子:大約是(100GeV)²/(10¹⁵GeV)或大約 0.01eV。

第一種類型的粒子很容易成為我們需要的暗物質粒子的質量:一類被稱為WIMPzillas的冷暗物質的成員。這可以成功的重現我們需要恢復觀測到的宇宙的大尺度結構和引力效應。同時,第二個數字與我們在今天宇宙中有的中微子的實際的、允許的質量範圍非常好的排起隊的。考慮到一兩個數量級的不確定性,這可以精確的描述中微子是如何工作的。它給了一個暗物質的候選,一個為什麼中微子會如此之輕以及其它三個有趣的事情的解釋。

宇宙的預期命運(前三例證)所有對應到一個物質和能量與最初的膨脹率戰鬥的宇宙。在我們觀察到的宇宙中,一個宇宙加速是由某種暗能量造成的,這是迄今為止無法解釋的。

暗能量。如果你嘗試並計算宇宙的零點能量或真空能量是什麼,你會得到一個荒謬的數字: 約在Λ ~ ~(10¹⁹GeV)⁴的。如果你曾經聽說過人們說這個對暗能量的預測太大到約120個數量級,這是他們從那裡得到這個數字的。但是, 如果你用在0.01ev的中微子的質量來取代10¹⁹GeV的數字 ,你得到一個剛好在Λ?(0.01eV)⁴的數字,它出來匹配我們幾乎正確的測量的值的。這不是任何東西的證據,但它是極端暗示的。

當電弱對稱性破壞時,CP-違反和重子數違反的結合能在之前沒有任何的地方創造一個物質/反物質不對稱,由於一個作用在中微子過量上的滑子（sphaleron）的相互作用。

重子不對稱。在早期的宇宙中我們需要一種產生比反物質更多物質的方法,如果我們有這樣的蹺蹺板場景,它賦予我們一個來做它的可行的方法。這些混合狀態的中微子能通過中微子部分創造比反輕子更多的輕子,引起一個宇宙範圍內的不對稱。當電弱對稱破壞時,一系列的被稱為滑子（sphaleron）相互作用的相互作用能然後產生一個比輕子更多重子的宇宙,因為重子數 (B) 和輕子數(L) 不被單獨保存的:只是組合的B-L。無論你開始怎樣輕子不對稱的,它們將被轉換成相等部分的重子和輕子不對稱。例如,如果你從一個輕子不對稱的X開始,這些滑子（sphalerons）自然會給你一個有"額外"數量的等於X/2的質子和中子,同時給你相同量的X/2的電子和中微子的結合。

當一個原子核經歷一個雙中子衰變時,兩個電子和兩個中微子被常規的發射。如果中微子服從這個蹺蹺板機制並且是馬焦拉納粒子，無中微子雙重β衰變應該是可能的。實驗正在積極尋找這個。

一種新的衰變形式:無中微子雙β衰變。一個暗物質、暗能量和重子不對稱的來源的理論想法是令人著迷的,但你需要一個來探測它的實驗。直到我們能夠直接測量從大爆炸遺留下來的中微子 (和反中微子)為止,這一壯舉實際上是不可能的,因為這些低能中微子的低截面, 我們不會知道怎樣來測試是否中微子有這些屬性(馬焦拉納（Majorana）)或(狄拉克（Dirac）)。但是如果一個雙β衰變發生不產生中微子,我們就會知道中微子畢竟有這些馬焦拉納屬性,並且所有這些都是真的。

十年前的格爾達（GERDA）實驗,當時最強的把約束放在無中微子雙β衰變上的。這裡所示的這個MAJORANA實驗具有最終發現這種罕見的衰變的潛力。如果它存在,它可能預示著一個粒子物理學的革命。

也許具有諷刺意味的是, 粒子物理學中最大的進步------一個超越標準模型的大躍進------可能不是來自於我們的高能的最偉大的實驗和探測器,而是來自一個卑微的、耐心尋找極罕見的衰變。我們已經把無中微子雙β衰變約束在有一個超過2×10²⁵年的壽命,但如果它存在未來十年或兩個實驗應該測量這種衰變。到目前為止,中微子是唯一的超出標準粒子物理模型的暗示。如果無中微子雙β衰變原來是真實的,它可能是基礎物理學的未來。它可以解決今天困擾人類的最大的宇宙問題。我們唯一的選擇就是看。如果自然對我們是仁慈的,未來就不會是超對稱的、額外維度或弦理論的。在我們的手上我們可能會有一個中微子革命。

天體物理學家和作者愛善西格爾（EthanSiegel）是從一聲爆炸開始的創始人和主要作家!他的書遷徙術（Treknology）和超越銀河（Beyond TheGalaxy）無論哪裡賣書的都可以買到。

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/12/05/how-neutrinos-could-solve-the-three-greatest-open-questions-in-physics/#44d8fdc54ee8

http://blog.sina.com.cn/s/blog_9bdadbb90102x26a.html

(2017-12-07 11:40:17)

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