中微子，一些自然界最奇異的基本粒子，幾乎沒有質量——重點是幾乎。 它們曾被預測為完全沒有質量，但大約 20 年前的實驗發現它們令人驚訝地確實具有一些質量。 究竟有多少仍然是一個謎。 現在，一項基於宇宙學觀測的新計算對最輕的中微子型別的重量設定了上限。
關於中微子，有很多奇怪的事情：例如，它們出乎意料的重量，以及它們很少與其他物質相互作用，並且每時每刻都有數十億個穿過我們的身體。 也許這些粒子最奇怪的方面是它們傾向於轉換身份，在三種可能的“味”，或型別之間迴圈。 事實上，正是首先觀察到這種變形能力，才告訴科學家三種中微子味必定具有不同的質量——這意味著，當然，它們的所有質量都不能為零。
科學家們迫切希望知道它們的實際重量，這將是關於它們為什麼有質量的重要線索，因為它們似乎並沒有像其他粒子那樣透過希格斯場（與 2012 年發現的希格斯玻色子相關）獲得質量。 “理解粒子為什麼有質量是我們理解物理學的非常基礎的東西，”麻省理工學院的物理學家約瑟夫·福爾馬喬說。 “中微子提出的可能性是，我們認為產生所有粒子質量的機制可能不適用於中微子，這出於某種奇怪的原因。 我覺得這很令人興奮。”
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新的質量限制來自超級計算機計算，該計算結合了關於宇宙中星系分佈的資料、大爆炸後釋放的第一道光的遺蹟以及反映宇宙膨脹率的超新星測量。 該分析還使用了關於中微子的實驗室資料，例如它們在不同味之間轉換速率的測量，以得出最小的中微子的最大重量估計：0.086 電子伏特，或 0.00000000000000000000000000000000000015 千克——使其至少比電子輕六百萬倍。
西班牙體物理研究所的奧爾加·梅納說：“他們所做的工作真的很出色”，她曾從事類似的計算。 西北大學的理論物理學家安德烈·德古韋亞說：“這比人們之前做的宇宙學資料分析稍微詳細一些。 這是一篇相當不錯的論文。” 這些結果最初釋出在預印本伺服器 arXiv.org 上，發表在 8 月 22 日的《物理評論快報》(PRL) 上。 物理學家 Shouvik Roy Choudhury 和 Steen Hannestad 透過類似方法計算出的另一個限制也最近釋出在 arXiv.org 上，目前正在《宇宙學和天體粒子物理學雜誌》接受同行評審。
宇宙模糊性
為什麼對遙遠星系和超新星的測量會與宇宙中最輕的物質粒子的質量有關？ 因為中微子雖然很小，但確實透過其微小的質量對其他一切事物產生引力效應。 當它們以接近光速的速度在太空中傳播時，它們傾向於非常輕微地拉動其他粒子，從而導致整個宇宙中星系分佈的整體模糊性。 PRL 研究的第一作者、倫敦大學學院的亞瑟·盧雷羅說：“這就像你近視，然後摘下眼鏡一樣。 “它們使事物變得模糊。” 而這種模糊的程度可以告訴我們中微子有多少質量。
該估計補充了其他旨在稱量中微子的努力，這些努力側重於實驗室實驗。 例如，德國的卡爾斯魯厄氚中微子 (KATRIN) 實驗旨在透過觀察β衰變來測量中微子質量，在β衰變中，中子透過釋放中微子和電子轉化為質子。 透過仔細測量電子的能量，科學家可以推斷出中微子的質量。 與基於宇宙學的估計（包括對暗物質和暗能量等未知假設的不確定性）相比，這種實驗更直接。 “它所做的假設最少，但不幸的是，它目前最不敏感，”從事 KATRIN 和類似實驗的福爾馬喬說。
第三類研究尋找一種名為“無中微子雙β衰變”的傳說中的衰變過程，其中兩個中子轉化為兩個質子，釋放出預期的電子，但不釋放相應的neutrinos。 如果中微子被證明是它們自己的反物質夥伴粒子，這種現象可能會發生——這是一種理論上的可能性，但遠非確定性。 如果是這樣，發射出的兩個中微子會像所有物質和反物質夥伴相遇時一樣相互湮滅。 如果可以測量無中微子雙β衰變，則衰變強度將與最輕的中微子質量成正比。 然而，到目前為止，還沒有實驗觀察到它。
理論的缺失部分
最終，科學家必須比較所有這些不同方法的結果。 梅納說：“只有結合所有可能的測量中微子質量的方法，我們才能得到一個明確而可靠的答案。” 但一些科學家表示，如果估計值不同，那就更好了。 德古韋亞說：“令人興奮的一件事是：如果我們從宇宙學中進行測量，並且得到的答案與粒子物理測量不一致怎麼辦？ “那將表明，這張圖中有些東西是完全錯誤的。 也許我們對早期宇宙的理解存在問題。 或者，也許中微子質量的機制存在一些不尋常之處，例如質量取決於您在哪裡或何時進行測量。 這聽起來很瘋狂，但這是有可能的。”
即使沒有證據表明存在如此離奇的情況，找到中微子質量的可靠估計也將推動物理學朝著新的方向發展。 粒子物理學的標準模型是研究人員描述宇宙中粒子和力的最佳理論，它預測中微子是無重量的。 它們並非如此的事實提出了擴充套件該理論的可能性。 盧雷羅說：“標準模型是人類有史以來構建的最精確的理論之一，但它缺少一點。 找到關於中微子的缺失部分肯定可能是理解暗能量和暗物質是什麼的關鍵，因為它們也不在標準模型中。”
隨著一些人們熱切期盼的新望遠鏡上線，答案的宇宙學部分有望在未來十年內變得更加精確。 例如，歐洲歐幾里得望遠鏡將在 2022 年發射後大幅提高 3D 宇宙地圖的精度。 亞利桑那州的暗能量光譜儀將很快開始測量 3000 萬個星系的距離。 最後，在智利建造的大型綜合巡天望遠鏡將於 2022 年開始每隔幾個晚上對整個天空進行成像。 德古韋亞說：“每個人都非常興奮，因為在未來五年左右的時間裡，他們應該能夠達到他們實際上應該看到某些東西的靈敏度——他們將能夠進行觀察，而不僅僅是設定一個界限。”