宇宙研究打破了對新中微子的希望

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首先,粒子物理學家發現了“一個枯燥的舊標準模型希格斯玻色子”,正如我的同事邁克爾·莫耶所說,這意味著該粒子與理論預測非常吻合,並且在指導新的和令人興奮的物理學方面幾乎沒有提供什麼幫助。本週,歐洲航天局的普朗克衛星大大推動了宇宙學自身的標準模型,即所謂的λ-CDM宇宙學,其中暗能量和暗物質統治著宇宙。但是,鑑於暗物質和暗能量的本質仍然是個謎,所以這裡的情況並不枯燥。

第一批普朗克宇宙學研究結果於3月21日釋出,並且非常強大。普朗克對宇宙微波背景(CMB)的精確測量結果分佈在29篇冗長的科學論文中,這些測量結果是來自早期宇宙的遺留光,就在大爆炸後37萬年,證實了宇宙的年齡約為138億年,並且由暗能量主導,暗物質起著重要的輔助作用,而普通物質(日常世界的原子)僅佔總含量的百分之幾。

簡而言之,普朗克的資料似乎沒有包含重大驚喜,儘管它們證實了來自普朗克的CMB測量前身,NASA的威爾金森微波各向異性探測器(WMAP)的一些突出的異常現象。在一個有趣的異常現象中,CMB看起來有些不對稱,好像宇宙有點傾斜


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然而,中微子物理學家可能會對普朗克的結果感到有些失望,該結果不支援存在額外的、尚未發現的中微子的可能性。地球上的粒子實驗表明,中微子至少有三種類型:電子中微子,μ子中微子和τ中微子,並且中微子在空間中傳播時會在這些型別之間振盪。但是,一些令人困惑的實驗結果暗示,可能還存在第四種中微子型別——惰性中微子。(這種假設的中微子被稱為“惰性”,是因為與其他中微子不同,它不會感受到弱核力,並且幾乎不會與其他粒子相互作用。)現在,這種可能性看起來不太可能。

CMB實驗和中微子物理學似乎是一種奇怪的夥伴關係,但是中微子的數量和粒子的質量確實會產生大規模的影響,從而影響CMB的外觀。例如,中微子種類的總數會影響宇宙在其最早時期膨脹的速度:更多的中微子意味著更快的膨脹。最近的WMAP資料與三中微子家族圖一致,但是很容易適應甚至暗示了第四個粒子的可能性。但是,新的普朗克結果(pdf)支援僅存在三種中微子。

中微子物理學家的一個潛在亮點是:普朗克觀測更好地確定了三種中微子的總質量,目前尚無法精確地單獨測量它們的質量。宇宙學研究目前提供了中微子質量的最佳限制,普朗克已經在收緊這些限制,以澄清難以捉摸的中微子的圖景。根據普朗克合作組織的資料,所有三種中微子的質量之和不超過0.23電子伏特(相比之下,單個電子的質量是其200萬倍),大約是WMAP設定的上限的一半。

 

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