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中微子有质量对物理学的未来有什么启示?

【小小的寂寞的回答(52票)】:

中微子质量的探测,可以让我们了解其质量的起源,并有可能揭示暗物质的性质。

(1)质量起源

首先,中微子的质量很奇怪。和其他自旋1/2的粒子比,它们太轻了。下图显示了1/2自旋粒子的质量,最左边的三个紫色的中微子比电子要轻几十万倍。

另外一个很奇怪的事情,是我们只看到过左旋的中微子,从来没有观测到过右旋的(如下图,Nevis Lab)。如果中微子质量不为零,观测到右旋中微子是必须的,因为相对论里,转换坐标系的话,一个粒子就可以从左旋变右旋。

粒子物理标准模型(Standard Model,SM)里面,中微子是质量为零的。如果我们想要扩展一下SM,给中微子加质量的话,主要有两种办法:狄拉克(Dirac)质量,或者马约拉纳(Majorana)质量。

第一种方法,Dirac质量的概念和其他SM粒子类似——粒子和希格斯玻色子(Higgs boson)碰撞,然后获得了质量。但是这个方法比较难解释为什么中微子那么轻这件事,需要更多其他的理论来补充。

第二种方法,中微子是Majorana,也就是说中微子的反粒子就是它本身。这样的Majorana的中微子可以通过跷跷板机制(The Seesaw Mechanism)来产生质量,质量大小并不受Higgs机制的限制。右旋中微子越重(而且这些很重的右旋中微子,可能是我们要找的暗物质),左旋中微子越轻。同时因为正反粒子是相同的,左旋的中微子=右旋的反中微子(如下图,Nevis Lab)。

测量中微子质量的意义在于,不同的SM延伸理论中,三个中微子的质量排列是不同的。有的理论预测三个质量类似(m1 ≈ m2 ≈ m3),有的理论预测三个质量是阶梯式分布(类似夸克,m1 m2 m3)。测量出m123的具体数值后,我们可以排除一些关于质量起源的错误理论。

(2)中微子是暗物质?

我们目前观测到的三个中微子,由于有微小质量,算是温暗物质(Warm Dark Matter, WDM)。它们对宇宙结构的影响是,抹去了小尺度上的结构,让宇宙的物质分布得更加均匀一些。如下图(图源Katrin Heitmann,忽略中图),左图是基准宇宙模型,右图加了WDM(不过是用了夸张的手法以增强视觉效果,我们的实际宇宙没有那么多WDM)。探测到m123可以让我们更加了解宇宙结构的形成过程。

另外,占宇宙总能量约30%的暗物质实际上是冷暗物质(Cold Dark Matter, CDM)。前面提到的右旋中微子和普通物质很难产生作用,并且又很重,它们有可能就是冷暗物质。

(3)质量的测量

宇宙学可通过观测大宇宙结构测量三个中微子的总质量(因为我们已经知道它们的质量差,所以知道总质量也就知道了三个中微子的单独质量)。KATRIN实验可通过观测β粒子衰变来测量最轻的一个中微子的质量(同样,我们也可以由此推出三个单独质量)。个人认为,中微子的质量应该在未来10年内就可以由宇宙学(用CMB-S4 + BOSS + LSST + Euclid等)准确测量出来。下图(Abazajian++2014)为预测:

资料来源:

Murayama, 2002

KATRIN Experiment

【豹海豹先生的回答(8票)】:

中微子有质量这件事意义真的很大,因为这直接联系到是否存在着右旋中微子的可能。当初为了解释弱相互作用中的宇称不守恒问题,人们直接假定中微子是外尔费米子,静止质量为0,只有左旋没有右旋。但现在既然发现了中微子静止质量不是0,那么它就不可能是外尔费米子了,那么剩下的选项就是狄拉克粒子或者马约拉纳粒子。而右旋中微子也就有可能存在了,而根据跷跷板机制,右手中微子的质量恐怕远在中微子质量之上(质量应该在数百GeV量级),这意味着实验物理学家们又有活干了。他们要探测一个全新的粒子,这个粒子参与一种全新的相互作用(汤川耦合)。

【和志刚的回答(1票)】:

抛砖引玉。

宇宙演化过程中中微子的作用可能被低估了,lamdaCDM model可能需要一点修正。

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