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中微子是宇宙中最豐富的粒子之一，也是最神秘的粒子之一。我們知道它們有質量，但不知道有多少。我們知道它們至少有三種類型，或稱“味”——但可能還有更多。一項新的研究發現，如果中微子的質量比通常認為的要大，那麼星系團的觀測結果與宇宙背景輻射的測量結果之間的不匹配就可以得到解釋。它還提供了誘人的線索，表明存在第四種迄今為止未見的中微子。
星系團和宇宙微波背景（CMB）之間的張力一直是一個醞釀中的問題，儘管這個問題可能僅僅透過在未來幾年獲得更好的測量結果來解決。背景輻射顯示了早期宇宙中小的密度變化，這些變化最終會導致物質在某些地方聚集並形成空洞。透過觀察星系團在空間中的分佈，我們可以看到最近宇宙中這種聚集的最終產物。
宇宙背景輻射的最佳測量結果來自歐洲航天局的普朗克軌道望遠鏡，該望遠鏡於2013年3月獲得。另一方面，星系團的測量結果來自各種方法，包括透過尋找引力透鏡或光線彎曲來繪製整個宇宙的質量分佈圖。然而，這兩個測量結果彼此不一致。“我們將早期宇宙與後期宇宙進行比較，我們有一個模型可以推斷兩者之間，”英國曼徹斯特大學的理查德·巴蒂說，他是2月7日發表在物理評論快報（PRL）上的新研究的合著者。“如果你堅持適合 CMB 資料的模型，那麼你發現的星系團數量比你預期的要低兩倍。”
如果中微子阻礙了星系團的形成過程，這種差異就可以解釋——如果中微子具有足夠大的質量，這就有可能。在過去的某個時候，人們認為宇宙已經跨越了一個與中微子質量相對應的能量閾值：當宇宙在其早期生活中高溫高密度時，中微子將是相對論性的，以光速運動。在這種狀態下，它們不會在自身引力的作用下聚集在一起。然而，在宇宙冷卻並跨過能量閾值後，中微子會減速並開始以亞光速移動。然後它們最終會開始與宇宙中的其他物質一起聚集。“你在宇宙中看到的星系團數量是中微子質量的函式，”巴蒂解釋道。“它們質量越大，它們對宇宙總物質密度的貢獻就越大，並且它們會稍微抑制這種星系團形成過程。”
巴蒂和他的合作者，英國諾丁漢大學的亞當·莫斯發現，如果三個中微子的質量總和約為 0.32 電子伏特（誤差約為 0.081），或者大約是質子質量的十億分之三，那麼我們今天看到的星系團的數量就可以解釋。先前的估計僅表明中微子質量的總和必須至少為 0.06 電子伏特。如此大的總質量會令人驚訝，並且“非常有趣，具有許多非常積極的結果，”西北大學的理論物理學家安德烈·德·古維亞說，他沒有參與這項研究。例如，它將表明中微子的三種味——電子、μ子和τ子——幾乎具有完全相同的質量，這將有些出乎意料。德·古維亞說，這將“影響我們試圖理解中微子質量背後機制的方式”。
此外，巴蒂和莫斯發現了第四種“惰性”中微子可能存在的證據。“這個想法非常令人興奮，”馬薩諸塞理工學院的物理學家約瑟夫·福爾馬喬說，他也沒有參與這項研究。“我們期望有三個中微子。第四個中微子正在拋棄規則——超出我們所謂的標準模型的物理學。”已知的三種中微子具有從一種味轉化為另一種味的奇怪能力。惰性中微子將無法改變味，並且與已經沉默寡言的已知味相比，與正常物質的相互作用甚至更少。
理論家長期以來一直認為惰性中微子可能存在，但到目前為止，它們的證據一直難以捉摸。然而，最近一些粒子加速器實驗的暗示開始表明它們就在那裡。“真正有趣的是，（根據巴蒂和莫斯的說法）這種惰性中微子的質量與其它實驗所看到的質量一致，”福爾馬喬說。“我認為人們開始檢視資料並說那裡可能有什麼東西。”巧合的是，另一項研究也支援惰性中微子的觀點以及較重的中微子質量，該研究也於 2 月 7 日在 PRL 上發表。這項由芝加哥大學的馬克·懷曼領導的工作也研究了普朗克資料和星系團之間的張力，並得出了與巴蒂和莫斯相似的結論。
多年來，人們一直認為中微子是完全沒有質量的，但它們可以交換味的發現也證明它們至少有一點質量。人們認為每種味的態都是三種未知中微子質量的混合物——暫時稱為質量 1、質量 2 和質量 3——這種混合是為什麼任何味都有機會隨著時間的推移變成另一種味。只有當質量態彼此不同時，這種轉換才是可能的，而這種差異只有在中微子的質量非零時才有可能，福爾馬喬解釋道。
旨在捕捉中微子在改變味的實驗可以幫助確定中微子質量之間的差異，並告訴我們哪一個質量更大——即所謂的中微子質量層級。其中一個實驗，稱為 NuMI 離軸 νe 顯現 (NOvA)，在上週測量了它的第一個中微子。該實驗在芝加哥附近的費米國家加速器實驗室產生一束中微子，並將它們傳送到兩個探測器——一個在費米實驗室附近，另一個在 800 公里外的明尼蘇達州阿什河。所有的粒子都以μ子中微子的形式開始，但只有極少數到達遠距離探測器時變成了電子中微子，從而產生了不同的特徵。這種情況發生的頻率與電子和μ子中微子質量之間的差異有關。
另一個位於日本的實驗，稱為日本東海到神岡 (T2K) 專案，也在尋找這些轉變。該合作專案上週宣佈，它已觀察到創紀錄的總共 28 個從μ子轉變為電子中微子的候選突變，其中只有大約五個事件被預測為偽裝成真實事物的其他過程。這是迄今為止關於這種型別的中微子振盪的最有力證據，儘管還需要更多的資料來回答關於中微子質量的問題。“這有點像一場長跑中的一個大的里程碑，”福爾馬喬說，他在 2 月 10 日在 PRL 上發表的結果中撰寫了一篇隨筆。NOvA 專案副主管裡克·特薩雷克說，這兩個實驗是互補的。“NOvA 有一些 T2K 沒有的功能”，反之亦然。這些實驗使用了對不同效應敏感的不同探測器技術，而且 NOvA 專案的粒子束和遠距離探測器之間的距離更長。
隨著這些實驗收集更多的資料，中微子質量的秘密可能會被揭示出來。未來幾年還應該澄清星系團的測量結果是否真的與宇宙背景輻射資料不相容，從而是否指向較重的中微子質量和/或惰性中微子。“測量結果一直在改進，”巴蒂說。“我估計在五年後，我們希望能知道這是對還是錯。”