中微子，一些自然界最奇异的基本粒子，几乎没有质量——重点是几乎。 它们曾被预测为完全没有质量，但大约 20 年前的实验发现它们令人惊讶地确实具有一些质量。 究竟有多少仍然是一个谜。 现在，一项基于宇宙学观测的新计算对最轻的中微子类型的重量设定了上限。
关于中微子，有很多奇怪的事情：例如，它们出乎意料的重量，以及它们很少与其他物质相互作用，并且每时每刻都有数十亿个穿过我们的身体。 也许这些粒子最奇怪的方面是它们倾向于转换身份，在三种可能的“味”，或类型之间循环。 事实上，正是首先观察到这种变形能力，才告诉科学家三种中微子味必定具有不同的质量——这意味着，当然，它们的所有质量都不能为零。
科学家们迫切希望知道它们的实际重量，这将是关于它们为什么有质量的重要线索，因为它们似乎并没有像其他粒子那样通过希格斯场（与 2012 年发现的希格斯玻色子相关）获得质量。 “理解粒子为什么有质量是我们理解物理学的非常基础的东西，”麻省理工学院的物理学家约瑟夫·福尔马乔说。 “中微子提出的可能性是，我们认为产生所有粒子质量的机制可能不适用于中微子，这出于某种奇怪的原因。 我觉得这很令人兴奋。”
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新的质量限制来自超级计算机计算，该计算结合了关于宇宙中星系分布的数据、大爆炸后释放的第一道光的遗迹以及反映宇宙膨胀率的超新星测量。 该分析还使用了关于中微子的实验室数据，例如它们在不同味之间转换速率的测量，以得出最小的中微子的最大重量估计：0.086 电子伏特，或 0.00000000000000000000000000000000000015 千克——使其至少比电子轻六百万倍。
西班牙体物理研究所的奥尔加·梅纳说：“他们所做的工作真的很出色”，她曾从事类似的计算。 西北大学的理论物理学家安德烈·德古韦亚说：“这比人们之前做的宇宙学数据分析稍微详细一些。 这是一篇相当不错的论文。” 这些结果最初发布在预印本服务器 arXiv.org 上，发表在 8 月 22 日的《物理评论快报》(PRL) 上。 物理学家 Shouvik Roy Choudhury 和 Steen Hannestad 通过类似方法计算出的另一个限制也最近发布在 arXiv.org 上，目前正在《宇宙学和天体粒子物理学杂志》接受同行评审。
宇宙模糊性
为什么对遥远星系和超新星的测量会与宇宙中最轻的物质粒子的质量有关？ 因为中微子虽然很小，但确实通过其微小的质量对其他一切事物产生引力效应。 当它们以接近光速的速度在太空中传播时，它们倾向于非常轻微地拉动其他粒子，从而导致整个宇宙中星系分布的整体模糊性。 PRL 研究的第一作者、伦敦大学学院的亚瑟·卢雷罗说：“这就像你近视，然后摘下眼镜一样。 “它们使事物变得模糊。” 而这种模糊的程度可以告诉我们中微子有多少质量。
该估计补充了其他旨在称量中微子的努力，这些努力侧重于实验室实验。 例如，德国的卡尔斯鲁厄氚中微子 (KATRIN) 实验旨在通过观察β衰变来测量中微子质量，在β衰变中，中子通过释放中微子和电子转化为质子。 通过仔细测量电子的能量，科学家可以推断出中微子的质量。 与基于宇宙学的估计（包括对暗物质和暗能量等未知假设的不确定性）相比，这种实验更直接。 “它所做的假设最少，但不幸的是，它目前最不敏感，”从事 KATRIN 和类似实验的福尔马乔说。
第三类研究寻找一种名为“无中微子双β衰变”的传说中的衰变过程，其中两个中子转化为两个质子，释放出预期的电子，但不释放相应的neutrinos。 如果中微子被证明是它们自己的反物质伙伴粒子，这种现象可能会发生——这是一种理论上的可能性，但远非确定性。 如果是这样，发射出的两个中微子会像所有物质和反物质伙伴相遇时一样相互湮灭。 如果可以测量无中微子双β衰变，则衰变强度将与最轻的中微子质量成正比。 然而，到目前为止，还没有实验观察到它。
理论的缺失部分
最终，科学家必须比较所有这些不同方法的结果。 梅纳说：“只有结合所有可能的测量中微子质量的方法，我们才能得到一个明确而可靠的答案。” 但一些科学家表示，如果估计值不同，那就更好了。 德古韦亚说：“令人兴奋的一件事是：如果我们从宇宙学中进行测量，并且得到的答案与粒子物理测量不一致怎么办？ “那将表明，这张图中有些东西是完全错误的。 也许我们对早期宇宙的理解存在问题。 或者，也许中微子质量的机制存在一些不寻常之处，例如质量取决于您在哪里或何时进行测量。 这听起来很疯狂，但这是有可能的。”
即使没有证据表明存在如此离奇的情况，找到中微子质量的可靠估计也将推动物理学朝着新的方向发展。 粒子物理学的标准模型是研究人员描述宇宙中粒子和力的最佳理论，它预测中微子是无重量的。 它们并非如此的事实提出了扩展该理论的可能性。 卢雷罗说：“标准模型是人类有史以来构建的最精确的理论之一，但它缺少一点。 找到关于中微子的缺失部分肯定可能是理解暗能量和暗物质是什么的关键，因为它们也不在标准模型中。”
随着一些人们热切期盼的新望远镜上线，答案的宇宙学部分有望在未来十年内变得更加精确。 例如，欧洲欧几里得望远镜将在 2022 年发射后大幅提高 3D 宇宙地图的精度。 亚利桑那州的暗能量光谱仪将很快开始测量 3000 万个星系的距离。 最后，在智利建造的大型综合巡天望远镜将于 2022 年开始每隔几个晚上对整个天空进行成像。 德古韦亚说：“每个人都非常兴奋，因为在未来五年左右的时间里，他们应该能够达到他们实际上应该看到某些东西的灵敏度——他们将能够进行观察，而不仅仅是设定一个界限。”