宇宙研究打破了对新中微子的希望

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首先,粒子物理学家发现了“一个枯燥的旧标准模型希格斯玻色子”,正如我的同事迈克尔·莫耶所说,这意味着该粒子与理论预测非常吻合,并且在指导新的和令人兴奋的物理学方面几乎没有提供什么帮助。本周,欧洲航天局的普朗克卫星大大推动了宇宙学自身的标准模型,即所谓的λ-CDM宇宙学,其中暗能量和暗物质统治着宇宙。但是,鉴于暗物质和暗能量的本质仍然是个谜,所以这里的情况并不枯燥。

第一批普朗克宇宙学研究结果于3月21日发布,并且非常强大。普朗克对宇宙微波背景(CMB)的精确测量结果分布在29篇冗长的科学论文中,这些测量结果是来自早期宇宙的遗留光,就在大爆炸后37万年,证实了宇宙的年龄约为138亿年,并且由暗能量主导,暗物质起着重要的辅助作用,而普通物质(日常世界的原子)仅占总含量的百分之几。

简而言之,普朗克的数据似乎没有包含重大惊喜,尽管它们证实了来自普朗克的CMB测量前身,NASA的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)的一些突出的异常现象。在一个有趣的异常现象中,CMB看起来有些不对称,好像宇宙有点倾斜


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然而,中微子物理学家可能会对普朗克的结果感到有些失望,该结果不支持存在额外的、尚未发现的中微子的可能性。地球上的粒子实验表明,中微子至少有三种类型:电子中微子,μ子中微子和τ中微子,并且中微子在空间中传播时会在这些类型之间振荡。但是,一些令人困惑的实验结果暗示,可能还存在第四种中微子类型——惰性中微子。(这种假设的中微子被称为“惰性”,是因为与其他中微子不同,它不会感受到弱核力,并且几乎不会与其他粒子相互作用。)现在,这种可能性看起来不太可能。

CMB实验和中微子物理学似乎是一种奇怪的伙伴关系,但是中微子的数量和粒子的质量确实会产生大规模的影响,从而影响CMB的外观。例如,中微子种类的总数会影响宇宙在其最早时期膨胀的速度:更多的中微子意味着更快的膨胀。最近的WMAP数据与三中微子家族图一致,但是很容易适应甚至暗示了第四个粒子的可能性。但是,新的普朗克结果(pdf)支持仅存在三种中微子。

中微子物理学家的一个潜在亮点是:普朗克观测更好地确定了三种中微子的总质量,目前尚无法精确地单独测量它们的质量。宇宙学研究目前提供了中微子质量的最佳限制,普朗克已经在收紧这些限制,以澄清难以捉摸的中微子的图景。根据普朗克合作组织的数据,所有三种中微子的质量之和不超过0.23电子伏特(相比之下,单个电子的质量是其200万倍),大约是WMAP设定的上限的一半。

 

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