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降世 1930年，為了解決衰變過程中的能量不守恒問題，泡利引入了中微子的概念。也許對(duì)一般人而言，僅僅是作為中微子的提出者這個(gè)頭銜，就足以讓他名垂物理學(xué)史，但對(duì)泡利而言，這可能只是他“拿不出手的”一項(xiàng)成就之一。泡利出生于1900年，是名副其實(shí)的天才兒童，年少成名，在他還是大學(xué)生的時(shí)候就為德國(guó)的《數(shù)學(xué)科學(xué)百科全書》撰寫了一篇長(zhǎng)達(dá)237頁(yè)的關(guān)于相對(duì)論的綜述，這篇綜述甚至連愛因斯坦都做出了驚為天人的評(píng)價(jià)，他都難以相信這是出自一位只有21歲的年輕人之手，而即使在整整百年后的今天看來，他的這篇綜述都毫不過時(shí)。25歲的時(shí)候，泡利便提出了后來使自己獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“泡利不相容原理”。于我們一般人來說，泡利可謂一生都在開掛。
圖1. 1925年，愛因斯坦和泡利在萊頓（圖源：美國(guó)物理聯(lián)合會(huì)） 在中微子誕生的過程中，還有另一個(gè)天才物理學(xué)家費(fèi)米也作出了重要貢獻(xiàn)。1934年，費(fèi)米基于泡利提出的中微子理論基礎(chǔ)很好的描述了β衰變。費(fèi)米可謂一個(gè)罕見的全才物理學(xué)家，他在物理的許多方面都有杰出的貢獻(xiàn)，尤為罕見的是他既是世界頂尖的理論物理學(xué)家，又是世界頂尖的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。是他試驗(yàn)成功了世界上第一個(gè)受控的核反應(yīng)堆，因此他又被稱為核能之父。 止戈 盡管中微子理論已經(jīng)被提出來了，但是這種粒子與其他粒子的相互作用卻非常微弱，幾乎無法探測(cè)。泡利本人就曾對(duì)他的同事說為了拯救β衰變的能量守恒問題，他做了一件理論物理學(xué)家不應(yīng)該做的事，就是他引入了一個(gè)永遠(yuǎn)都不能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的粒子。幸好上帝這次沒有站在泡利這邊，雖然中微子的探測(cè)非常困難，但是在幾十年后還是成功的被探測(cè)到了。在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的歷史上，中微子獨(dú)自就獲得了四次“殊榮”，而前三次的獲獎(jiǎng)皆因直接探測(cè)到了中微子。第一次是在1988年頒給萊德曼、施瓦茨和斯坦伯格，獎(jiǎng)勵(lì)他們?cè)?962年發(fā)現(xiàn)了第二種中微子。第二次是在1995頒給了欒斯，獎(jiǎng)勵(lì)欒斯和科萬1968年在原子核的反應(yīng)堆里探測(cè)到了中微子，科萬由于已經(jīng)去世二十年之久沒能站上諾貝爾的頒獎(jiǎng)舞臺(tái)。第三次是在2002年頒給了戴維斯和小柴昌俊，分別由于探測(cè)到來自太陽(yáng)的和來自超新星的中微子而獲獎(jiǎng)。
圖2. 由史匹哲太空望遠(yuǎn)鏡、哈勃太空望遠(yuǎn)鏡和昌德拉X射線天文臺(tái)的圖像合成的開普勒超新星圖片（圖源：NASA） 近幾十年來關(guān)于中微子物理的較大突破幾乎都來自天體物理。長(zhǎng)期困擾著人們的太陽(yáng)中微子消失之謎以及大氣中微子的反?，F(xiàn)象，都被無比確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)證實(shí)是來自于中微子的振蕩。中微子有三種類型，隨著中微子的傳播，它們可以在不同類型之間切換，這一現(xiàn)象即是中微子振蕩，中微子振蕩只有在中微子有質(zhì)量的情況下才會(huì)發(fā)生。中微子振蕩的理論早在1957年就由物理學(xué)家龐蒂科夫提出，但是直到最近幾十年才被證實(shí)。中微子振蕩的發(fā)現(xiàn)也在2015年被第四次授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但遺憾的是龐蒂科夫早已去世。 懸念 在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型里中微子是無質(zhì)量的，但中微子振蕩實(shí)驗(yàn)證實(shí)了中微子有質(zhì)量。盡管振證實(shí)了中微子有質(zhì)量，但是它只能測(cè)得中微子質(zhì)量的平方差，而對(duì)中微子質(zhì)量的絕對(duì)值并不敏感，因此我們目前并不知道每種中微子的絕對(duì)質(zhì)量是多少。這也導(dǎo)致了目前中微子質(zhì)量有兩種可能的排序，如圖3所示，我們分別稱為正常和反常的層次結(jié)構(gòu)
圖3. 兩種可能的中微子質(zhì)量順序的表示 ?。▓D源：https://indico./event/48030/contributions/213913/attachments/142638/180121/Superheroes-STEM_Neutrino-Intro_2021-05-01.pdf） 有質(zhì)量的中微子在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)的形成和演化中扮演了重要的作用。目前對(duì)中微子質(zhì)量最好的限制是來自于宇宙學(xué)的觀測(cè)。接下來，讓我們來看一下大爆炸之后主要的宇宙膨脹歷史和以及微子在宇宙膨脹歷史中的演化和中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)效應(yīng)。 宇宙膨脹歷史 我們都知道經(jīng)歷了大爆炸之后的宇宙，一瞬間暴富，由此開始自我膨脹，同時(shí)也開始逐漸降溫。此時(shí)宇宙中的各種成分之間雖然發(fā)生著散射這樣的小打小鬧，但也算鄰里和睦，整體還是處在熱平衡的狀態(tài)。但是隨著宇宙不斷的膨脹，宇宙中的各成分間也開始上演江湖上的愛恨情仇。 宇宙在極早期階段發(fā)生了暴脹，正反重子不對(duì)稱的產(chǎn)生以及冷暗物質(zhì)的形成等，這一階段持續(xù)的時(shí)間極短，大約從10-43秒到10-11秒，此時(shí)宇宙的溫度降至了約1015K，并開始發(fā)生電弱相變，大多數(shù)粒子由此獲得了質(zhì)量。當(dāng)宇宙成長(zhǎng)到10-5秒左右時(shí)，此時(shí)宇宙溫度約1013K，強(qiáng)子相變開始發(fā)生，夸克形成強(qiáng)子和介子。當(dāng)宇宙繼續(xù)成長(zhǎng)到第三分鐘，宇宙的溫度也降到了約109K，此時(shí)輕元素開始由大爆炸核合成過程形成。
圖4. 宇宙膨脹歷史（圖源：網(wǎng)絡(luò)） 早期宇宙一直是由輻射主導(dǎo)，但輻射要比物質(zhì)隨溫度下降得更快，所以宇宙持續(xù)膨脹會(huì)來到輻射與物質(zhì)相等的時(shí)刻，此時(shí)宇宙的的年齡大約在6萬年左右，溫度約104K。當(dāng)宇宙繼續(xù)膨脹到溫度約3000K時(shí)，幾乎所有的自由電子被束縛到氫原子和氦原子中，這一過程又被稱為復(fù)合時(shí)期，緊接著到最后散射時(shí)期，光子也從最后散射面脫耦出來，此時(shí)宇宙的年齡大約在38萬年，我們現(xiàn)在所觀測(cè)到的宇宙微波背景（CMB）圖5，就是最后散射時(shí)期脫耦出來的光子。脫耦出來的光子其后也將在宇宙中自由流動(dòng)，宇宙變得完全透明，這一時(shí)期被稱為宇宙的“黑暗時(shí)代”。直到第一代天體的形成，這些天體發(fā)射出的紫外輻射又把大多數(shù)中性氫電離了，宇宙再次變得不那么透明，這一過程稱為宇宙的再電離，此時(shí)宇宙的年齡大約在2億年左右。隨著宇宙不斷的膨脹，物質(zhì)也隨溫度不斷下降，經(jīng)過物質(zhì)與暗能量相等時(shí)刻后，宇宙開始由暗能量主導(dǎo)，暗能量主導(dǎo)的宇宙會(huì)加速膨脹。今天我們的宇宙大約百分之七十是暗能量，剩下約百分之二十五的暗物質(zhì)和百分之五的重子。 宇宙中微子歷史 在宇宙膨脹到第一秒時(shí)，我們所關(guān)心的中微子便開始單獨(dú)登上宇宙演化的舞臺(tái)，此時(shí)宇宙的溫度約1011K，中微子從之前的平衡狀態(tài)中脫耦出來，開始自由流動(dòng)。緊接著當(dāng)宇宙溫度降到約5×109K時(shí)，大部分正負(fù)電子對(duì)湮滅成光子，并把自己的熵傳給了光子，由于中微子已率先脫耦出去，這也導(dǎo)致了后來中微子的溫度要比光子低了一些。在復(fù)合時(shí)期之后，宇宙的溫度已隨著宇宙膨脹明顯下降，至少有兩種中微子開始變得非相對(duì)論，并與重子和冷暗物質(zhì)一起對(duì)宇宙的物質(zhì)成分做出貢獻(xiàn)。 中微子的自由流動(dòng)在宇宙中微子歷史中扮演了很重要的角色，在自由流動(dòng)時(shí)，它們像自由下落的粒子一樣沿著測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。定性來說，中微子自由流動(dòng)對(duì)之后宇宙中結(jié)構(gòu)的形成有很重要的影響，在中微子自由流動(dòng)的尺度內(nèi)，由于其具有很大的速度，所以不能被限制在勢(shì)阱中，導(dǎo)致小尺度上結(jié)構(gòu)的形成的難度加大。中微子在小尺度上對(duì)結(jié)構(gòu)形成的抑制效應(yīng)隨著中微子質(zhì)量的增加而增加，并提供了中微子質(zhì)量最清晰的觀測(cè)特征之一。
圖5. 普朗克衛(wèi)星觀測(cè)到的宇宙微波背景（CMB），圖中的斑點(diǎn)代表著早期宇宙中溫度在十萬分之一量級(jí)上的細(xì)微起伏。這些起伏，形成今天的恒星和星系 ?。▓D源：ESA and the Planck Collaboration， https://www./ESA_Multimedia/Images/2013/03/Planck_CMB） 中微子質(zhì)量的宇宙學(xué)效應(yīng) 中微子質(zhì)量對(duì)宇宙學(xué)演化的效應(yīng)可以分為背景效應(yīng)和微擾效應(yīng)兩部分，前者是指有質(zhì)量的中微子通過改變尺度因子的演化進(jìn)而改變宇宙背景的演化，后者是指有質(zhì)量的中微子對(duì)引力勢(shì)擾動(dòng)演化以及宇宙流體不同成分?jǐn)_動(dòng)演化的修改。 我們先來看中微子質(zhì)量對(duì)CMB各向異性譜的影響。中微子質(zhì)量的變化將會(huì)由暗物質(zhì)、暗能量、重子物質(zhì)和哈勃參數(shù)的變化所補(bǔ)償，這會(huì)直接導(dǎo)致最后散射時(shí)期聲學(xué)視界、角直徑距離，以及輻射物質(zhì)相等時(shí)刻或者物質(zhì)暗能量相等時(shí)刻等背景量的改變。除此外，這些改變還會(huì)影響引力勢(shì)擾動(dòng)的演化，以及CMB棱鏡效應(yīng)。因此會(huì)改變我們觀測(cè)到的CMB譜的形狀。 再看中微子質(zhì)量對(duì)物質(zhì)功率譜的影響。在物質(zhì)主導(dǎo)時(shí)期的宇宙，很小的尺度上開始非線性的演化并形成了我們今天所看到的宇宙的結(jié)構(gòu)，而在大的尺度上，宇宙仍然是在線性的演化。在大尺度上中微子的自由流動(dòng)可以忽略，并且中微子擾動(dòng)同暗物質(zhì)擾動(dòng)也是不可區(qū)分的，因此中微子質(zhì)量的變化不會(huì)影響大尺度上的標(biāo)量物質(zhì)功率譜。在小尺度上，由于中微子的自由流動(dòng)，它不能被限制在自由流動(dòng)的尺度內(nèi)，當(dāng)它變得非相對(duì)論后，有質(zhì)量的中微子的擾動(dòng)行為變得和暗物質(zhì)擾動(dòng)相同，但卻不具有凝聚性，因此會(huì)對(duì)物質(zhì)功率譜有一定的抑制作用，其次增加中微子的質(zhì)量也會(huì)減小暗物質(zhì)擾動(dòng)的增長(zhǎng)因子，也會(huì)對(duì)功率譜起到抑制作用。 在任一宇宙學(xué)觀測(cè)中，中微子質(zhì)量參數(shù)都與其他宇宙學(xué)參數(shù)是簡(jiǎn)并的，未來更高精度的觀測(cè)，能更好的限制宇宙學(xué)參數(shù)，同時(shí)多種觀測(cè)的聯(lián)合將進(jìn)一步打破參數(shù)之間的簡(jiǎn)并性進(jìn)一步提高對(duì)中微子質(zhì)量的限制。 結(jié)語 中微子本身目前仍還存在許多疑團(tuán)待探究，在現(xiàn)如今的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)中，我們還不能得知中微子的絕對(duì)質(zhì)量，甚至也無法得知是不是只有三代中微子，會(huì)不會(huì)出現(xiàn)第四代等，中微子的性質(zhì)對(duì)我們認(rèn)識(shí)了解宇宙有很關(guān)鍵的作用。在不遠(yuǎn)的未來，我國(guó)空間巡天望遠(yuǎn)鏡的投入使用，將有望使我們能獲得更多的有關(guān)中微子的信息。 · 作者 / 簡(jiǎn)介 苗海濤，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)博士后。 |
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