右手徵中微子，解密，暗物質的背後

2023-04-01 00:51:41

在右邊，中微子，暗物質的秘密？

來源:伊森·西格爾，來自他的新書《銀河系之外》

基本粒子的標準模型已經完成。每個預測的粒子都在裡面:

六個夸克和三種不同顏色的反夸克，

三個帶電輕子(電子、μ子和τ中微子)及其相應的中微子，

六個輕子對應物，

八個膠子，三個重的和弱的玻色子(W+，W-，Z)，光子和希格斯玻色子，

插圖:希格斯玻色子

它們已經被直接探測到了。儘管標準模型取得了成功，實驗粒子物理學也取得了巨大成功，但宇宙中仍有一些未解之謎，這兩者可能是相互關聯的。

其中一個謎團是暗物質。宇宙中所有「已知」的物質都來自標準模型，包括光子輻射、夸克、膠子和電子的正常物質，以及一小部分中微子的熱暗物質。但是如果我們把所有的內容加起來，然後模擬結果，我們就不會得到像我們這樣的宇宙。相反，你將得到一個抑制星系形成的地方，在那裡恆星形成撕裂年輕的星系，重元素被注入星際空間空，巖石星系永遠不會形成，在那裡宇宙的大規模結構看起來非常不同。

圖示:膠子(夸克間傳遞強相互作用的粒子)

為了得到我們今天的宇宙，我給你:

在宇宙微波背景下觀察到的波動，

星系大小尺度的聚集特徵，

螺旋星系和橢圓星系的旋轉輪廓，

星系團的引力透鏡效應和更多的觀察，

除了標準模型預測的物質之外，你還需要額外的物質:某種暗物質。這種暗物質的含量必須是所有正常物質總和的五倍(標準模型)，它必須足夠大，必須聚集在一起，而且必須比光速慢。各種間接證據證明暗物質的存在，但我們從未直接探測到它。為了理解它的本質，我們必須這樣做。

第二個謎是中微子的質量。標準模型中的所有其他粒子要麼完全沒有質量(如光子或膠子)，要麼質量相對較大(在相對較大但定義明確的範圍內)。最輕的粒子，電子，質量約為5.11*105電子伏，而最重的頂夸克質量約為1.75*1011電子伏。這似乎是一個很大的範圍，但使用小於400，000電子伏的係數來覆蓋所有粒子是一個很好的選擇。

說明:中微子，也被翻譯成中微子，是輕子之一，也是構成自然界最基本的粒子之一。它們通常用符號ν來表示。中微子不帶電荷，自旋為1/2，質量非常輕(有些不到電子的百萬分之一)，移動速度接近光速。

長期以來，人們認為中微子也沒有質量。但是這個實驗發現，電子、μ和τ中微子的質量非常小，但不是零，它們的重量在毫伏電子範圍內，或者至少比電子輕1000萬倍！

對於被預測為沒有質量的粒子來說，這是一個問題。為什麼它們不僅有質量，而且為什麼它們的質量這麼小？其中一個主要觀點是中微子質量可以像蹺蹺板一樣工作，這是一些科學家在20世紀70年代提出的。如你所見，我們看到的中微子是左旋的，也就是說，如果你把自己放在它們的運動方向上，它們都以同樣的方式旋轉。同樣，所有的反中微子都是右旋的。

然而，如果你假設自然界有一個非常大的質量尺度，像一個大的統一尺度，那麼中微子(左手和右手符號)可能有一個「正常」的質量，就像其他標準模型粒子一樣，可以在蹺蹺板上保持平衡。但是隨著重質量的出現，坐在蹺蹺板的一邊把它們分開:左手中微子變得非常輕，而右手中微子變得非常重。

來源:公共領域圖像，由伊森·西格爾修改。

這是中微子振蕩的主要原因，也是中微子獲得如此微小(但非零)質量的主要原因。但是，與其假設超對稱性、額外維度、軸子或其他奇怪的暗物質解決方案，還有一個有趣的可能性:超重的右手中微子實際上可能是暗物質！與相同範圍內的中微子質量(如軸子)或其他標準模型粒子(如超對稱性或額外維度)不同，它們可能超重，並且比其他標準模型粒子重數十億甚至數萬億倍。這個新的暗物質候選類有一個很棒的名字(由洛基·科爾布命名):軟蛋！