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中微子是宇宙中最丰富的粒子之一，也是最神秘的粒子之一。我们知道它们有质量，但不知道有多少。我们知道它们至少有三种类型，或称“味”——但可能还有更多。一项新的研究发现，如果中微子的质量比通常认为的要大，那么星系团的观测结果与宇宙背景辐射的测量结果之间的不匹配就可以得到解释。它还提供了诱人的线索，表明存在第四种迄今为止未见的中微子。
星系团和宇宙微波背景（CMB）之间的张力一直是一个酝酿中的问题，尽管这个问题可能仅仅通过在未来几年获得更好的测量结果来解决。背景辐射显示了早期宇宙中小的密度变化，这些变化最终会导致物质在某些地方聚集并形成空洞。通过观察星系团在空间中的分布，我们可以看到最近宇宙中这种聚集的最终产物。
宇宙背景辐射的最佳测量结果来自欧洲航天局的普朗克轨道望远镜，该望远镜于2013年3月获得。另一方面，星系团的测量结果来自各种方法，包括通过寻找引力透镜或光线弯曲来绘制整个宇宙的质量分布图。然而，这两个测量结果彼此不一致。“我们将早期宇宙与后期宇宙进行比较，我们有一个模型可以推断两者之间，”英国曼彻斯特大学的理查德·巴蒂说，他是2月7日发表在物理评论快报（PRL）上的新研究的合著者。“如果你坚持适合 CMB 数据的模型，那么你发现的星系团数量比你预期的要低两倍。”
如果中微子阻碍了星系团的形成过程，这种差异就可以解释——如果中微子具有足够大的质量，这就有可能。在过去的某个时候，人们认为宇宙已经跨越了一个与中微子质量相对应的能量阈值：当宇宙在其早期生活中高温高密度时，中微子将是相对论性的，以光速运动。在这种状态下，它们不会在自身引力的作用下聚集在一起。然而，在宇宙冷却并跨过能量阈值后，中微子会减速并开始以亚光速移动。然后它们最终会开始与宇宙中的其他物质一起聚集。“你在宇宙中看到的星系团数量是中微子质量的函数，”巴蒂解释道。“它们质量越大，它们对宇宙总物质密度的贡献就越大，并且它们会稍微抑制这种星系团形成过程。”
巴蒂和他的合作者，英国诺丁汉大学的亚当·莫斯发现，如果三个中微子的质量总和约为 0.32 电子伏特（误差约为 0.081），或者大约是质子质量的十亿分之三，那么我们今天看到的星系团的数量就可以解释。先前的估计仅表明中微子质量的总和必须至少为 0.06 电子伏特。如此大的总质量会令人惊讶，并且“非常有趣，具有许多非常积极的结果，”西北大学的理论物理学家安德烈·德·古维亚说，他没有参与这项研究。例如，它将表明中微子的三种味——电子、μ子和τ子——几乎具有完全相同的质量，这将有些出乎意料。德·古维亚说，这将“影响我们试图理解中微子质量背后机制的方式”。
此外，巴蒂和莫斯发现了第四种“惰性”中微子可能存在的证据。“这个想法非常令人兴奋，”马萨诸塞理工学院的物理学家约瑟夫·福尔马乔说，他也没有参与这项研究。“我们期望有三个中微子。第四个中微子正在抛弃规则——超出我们所谓的标准模型的物理学。”已知的三种中微子具有从一种味转化为另一种味的奇怪能力。惰性中微子将无法改变味，并且与已经沉默寡言的已知味相比，与正常物质的相互作用甚至更少。
理论家长期以来一直认为惰性中微子可能存在，但到目前为止，它们的证据一直难以捉摸。然而，最近一些粒子加速器实验的暗示开始表明它们就在那里。“真正有趣的是，（根据巴蒂和莫斯的说法）这种惰性中微子的质量与其它实验所看到的质量一致，”福尔马乔说。“我认为人们开始查看数据并说那里可能有什么东西。”巧合的是，另一项研究也支持惰性中微子的观点以及较重的中微子质量，该研究也于 2 月 7 日在 PRL 上发表。这项由芝加哥大学的马克·怀曼领导的工作也研究了普朗克数据和星系团之间的张力，并得出了与巴蒂和莫斯相似的结论。
多年来，人们一直认为中微子是完全没有质量的，但它们可以交换味的发现也证明它们至少有一点质量。人们认为每种味的态都是三种未知中微子质量的混合物——暂时称为质量 1、质量 2 和质量 3——这种混合是为什么任何味都有机会随着时间的推移变成另一种味。只有当质量态彼此不同时，这种转换才是可能的，而这种差异只有在中微子的质量非零时才有可能，福尔马乔解释道。
旨在捕捉中微子在改变味的实验可以帮助确定中微子质量之间的差异，并告诉我们哪一个质量更大——即所谓的中微子质量层级。其中一个实验，称为 NuMI 离轴 νe 显现 (NOvA)，在上周测量了它的第一个中微子。该实验在芝加哥附近的费米国家加速器实验室产生一束中微子，并将它们发送到两个探测器——一个在费米实验室附近，另一个在 800 公里外的明尼苏达州阿什河。所有的粒子都以μ子中微子的形式开始，但只有极少数到达远距离探测器时变成了电子中微子，从而产生了不同的特征。这种情况发生的频率与电子和μ子中微子质量之间的差异有关。
另一个位于日本的实验，称为日本东海到神冈 (T2K) 项目，也在寻找这些转变。该合作项目上周宣布，它已观察到创纪录的总共 28 个从μ子转变为电子中微子的候选突变，其中只有大约五个事件被预测为伪装成真实事物的其他过程。这是迄今为止关于这种类型的中微子振荡的最有力证据，尽管还需要更多的数据来回答关于中微子质量的问题。“这有点像一场长跑中的一个大的里程碑，”福尔马乔说，他在 2 月 10 日在 PRL 上发表的结果中撰写了一篇随笔。NOvA 项目副主管里克·特萨雷克说，这两个实验是互补的。“NOvA 有一些 T2K 没有的功能”，反之亦然。这些实验使用了对不同效应敏感的不同探测器技术，而且 NOvA 项目的粒子束和远距离探测器之间的距离更长。
随着这些实验收集更多的数据，中微子质量的秘密可能会被揭示出来。未来几年还应该澄清星系团的测量结果是否真的与宇宙背景辐射数据不兼容，从而是否指向较重的中微子质量和/或惰性中微子。“测量结果一直在改进，”巴蒂说。“我估计在五年后，我们希望能知道这是对还是错。”