中微子的微小质量如何帮助解决大谜团

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O在宇宙中所有已知的粒子中，只有光子的数量超过了中微子。然而，尽管中微子数量众多，却很难捕捉和检测，因为它们与物质的相互作用非常微弱。每秒钟大约有一千万亿个幽灵般的粒子穿过你的身体，甚至连一个原子都不会退缩。

“它们无处不在，而我们甚至不知道它们的体重，这有点疯狂，”他说黛博拉·哈里斯他是芝加哥和多伦多约克大学费米国家加速器实验室的物理学家。

物理学家长期以来一直试图衡量鬼魂的重量。9月，经过18年的规划、建造和校准，卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验在德国西南部进行宣布它的第一个结果是:中微子的重量不超过1.1电子伏(eV)，大约是电子质量的150万分之一。

“当我在研究生院的时候，我的课本上都说中微子没有质量，”哈里斯说。

这个最初的估计，仅用了一个月的数据，改进了之前使用类似技术测量中微子质量上限为2ev的方法。随着数据的积累，KATRIN的目标是确定实际质量，而不是给出一个上限。

质量是基本粒子最基本、最重要的特征之一。中微子是唯一已知的质量仍是个谜的粒子。测量它的质量将有助于指出标准模型之外的新的物理定律。标准模型非常成功地描述了宇宙中已知的粒子和力是如何相互作用的，但却不完整。它的测量质量也可以用来检验宇宙学家关于宇宙如何演化的理论。

“这取决于中微子的质量，可能会导致宇宙学上非常激动人心的时刻，”他说戴安娜Parno他是卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)的物理学家，也是KATRIN团队的成员。

直到大约20年前，中微子还被认为是无质量的。中微子在1930年被理论上预测，1956年被发现。“当我在研究生院的时候，我的课本上都说中微子没有质量，”哈里斯说。

当物理学家发现中微子可以从一种变成另一种，在三种“味道”状态之间振荡:电子、介子和tau时，情况发生了变化，这一发现将获得2015年诺贝尔奖。只有当中微子也有三种可能的质量状态时，这些振荡才会发生，而每一种状态都有不同的概率处于这三种质量状态。质量状态以不同的方式在空间中传播，所以当中微子从a点到B点时，这种混合的概率将会改变，探测器可以测量出不同的味道。

如果有三种不同的质量状态，那么它们不可能都是零——因此，中微子有质量。根据最近的中微子振荡数据(这揭示了质量状态之间的差异，而不是它们的实际值)，如果最轻的质量状态是零，最重的必须至少为0.0495 eV。

尽管如此，与其他粒子的质量相比，这仍然是如此之轻，以至于物理学家不确定中微子是如何获得如此微小的质量的。标准模型中的其他粒子通过与希格斯场的相互作用获得质量，希格斯场是一种充满所有空间并对大质量粒子进行拖动的能量场。但对于中微子来说，“质量是如此之小，你需要一些额外的理论来解释，”帕诺说。

弄清楚中微子如何获得质量可能解决其他看似相关的谜题，比如为什么宇宙中物质比反物质多。关于质量产生机制的竞争理论预测三种质量状态的值不同。虽然中微子振荡实验测量了质量状态之间的差异，但像KATRIN这样的实验专注于这三种状态的平均。结合这两种类型的测量可以揭示每一种质量状态的值，这有利于中微子质量的某些理论。

中微子质量在宇宙中也很重要。尽管中微子的质量极小，但在大爆炸期间诞生了如此多的中微子，以至于它们的集体引力影响了宇宙中所有物质聚集成恒星和星系的方式。大爆炸大约一秒钟后，中微子以近乎光速的速度在周围飞行——速度如此之快，以至于它们摆脱了其他物质的引力。但随后它们开始减速，这使它们能够帮助聚集原子、恒星和星系。中微子开始减速的时间点取决于它们的质量。较重的中微子会更快地减速，从而使宇宙变得更粗糙。

通过测量宇宙的密度，宇宙学家可以推断出中微子的质量。但是这种间接的方法是建立在假设宇宙模型是正确的基础上的，所以如果它给出的答案与直接测量中微子质量不同，这可能表明宇宙学理论是错误的。

到目前为止，间接宇宙学方法比像KATRIN这样的实验直接测量质量更灵敏。最近宇宙数据来自普朗克卫星的数据表明，三种中微子质量状态的总和不可能大于0.12 eV，而在8月，又出现了另一种分析宇宙学观测发现，最轻的质量必须小于0.086 eV。这些都低于KATRIN的上限，所以这两种方法之间还没有矛盾。但随着KATRIN收集更多的数据，差异可能会出现。

期待已久的KATRIN实验使用氚(氢的重同位素)来对中微子进行称重。当氚经历衰变时，它的原子核会释放出一个电子和一个电子味的中微子。通过测量最有能量的电子的能量，物理学家可以推断出电子中微子的能量，从而推断出电子中微子的质量(或者实际上是三个质量的加权平均值)。

如果KATRIN发现了大约0.2或0.3 eV的质量，宇宙学家将很难协调他们的观测结果，说人的旺销他是石溪大学的宇宙学家。一种可能的解释是，一些新现象导致中微子质量的宇宙学影响随着时间的推移而减弱。例如，中微子可能会衰变成更轻的未知粒子，其接近光速的速度使它们无法将物质聚集在一起。或者是中微子的质量机制在宇宙历史上发生了变化。

另一方面，如果中微子的质量接近宇宙学观测的预测，KATRIN就没有足够的灵敏度来测量它。它只能将中微子的重量降到0.2 eV。如果中微子比这轻，物理学家将需要更灵敏的实验来接近它的质量，并解决粒子物理学和宇宙学问题。三个可能更为敏感的项目——Project 8，电子捕获钬和holmes——已经在使用概念验证仪器采集数据。

Marcus Woo是旧金山湾区的一名科学记者。他的作品已出版《连线》杂志，《新科学家》，国家地理，史密森学会美国国家公共电台(NPR)、英国广播公司(BBC)以及其他出版物。