中微子如何解决物理学中最重要的三个问题

当你仔细观察宇宙时，有一些事实可能会令你惊讶。所有的恒星，星系，气体和等离子体都是由物质构成的，而不是反物质，尽管自然界的规律在两者之间是对称的。为了形成我们在最大规模上看到的结构，我们需要大量的暗物质：大约是我们拥有的所有正常物质的五倍。为了解释扩张速度如何随着时间的推移而变化，我们需要空间本身固有的一种神秘的能量形式，与所有其他形式相结合的能量是能量的两倍（黑暗能量）。这三个谜题可能是21世纪最大的宇宙学问题，但超越标准模型 - 中微子 - 的一个粒子也许可以解释这一切。

E，西格尔/超越银河

粒子物理学标准模型的粒子和反粒子与实验所要求的完全一致，只有大量的中微子提供了一个难点。

在物理宇宙中，我们有两种标准模型：

1. 1. 粒子物理的标准模型（上），有六种夸克和轻子，它们的反粒子，量子玻色子和希格斯。
2. 2. 宇宙学的标准模型（下文）与通货膨胀的大爆炸有关，而不是反物质，以及导致星系，星系，星团，细丝和当今宇宙的结构形成史。

两种标准模型都是完美的，它们解释了我们可以观察到的一切，但都包含我们无法解释的奥秘。从粒子物理的角度来看，粒子群为什么具有它们所做的价值就是一个谜，而在宇宙学方面，暗物质和暗能量是什么的奥秘，以及它们为什么（以及如何）主宰宇宙。

由维基共享资源用户老陈修改的NASA，由E. Siegel进一步修改

宇宙中现在（左）和更早（右）的物质和能量含量。注意暗能量，暗物质的存在以及普通物质比反物质的普遍存在，这是非常微小的，它在任何时间都不起作用。

所有这一切的大问题是，粒子物理的标准模型解释了我们所见过的每一个粒子，相互作用，衰减等等。我们从来没有在对撞机，宇宙射线或任何其他与标准模型的预测背道而驰的实验中观察到一个单一的相互作用。我们唯一的标准模型并没有给我们提供我们观察到的一切的实验提示，就是中微子振荡的事实：一种中微子在穿过太空时，特别是通过物质时，转换成另一种。这只有在中微子有一个小的，微小的，非零质量的情况下才能发生，这与标准模型预测的无质量特性相反。

Wikimedia Commons用户海峡

如果从电子中微子（黑色）开始，让它穿过空的空间或物质，它将有一定的振荡的可能性进入其他两种类型之一，只有在中微子非常小但非零大众。

那么，为什么中微子得到了他们的群众呢？为什么这些群众和其他一切相比呢是如此的微小呢？

村山仁

一个电子，最轻的正常标准模型粒子和最重的可能中微子之间的质量差异大于400万倍，这个差距甚至大于电子和顶夸克之间的差异。

当你仔细观察这些粒子的时候，还会有更多的奇怪之处。你看，我们所观察到的每一个中微子都是左手的，这意味着如果你把左手拇指指向某个方向，你的手指就会沿着中微子的旋转方向卷曲。另一方面，每个反中微子（字面上）都是右手的：右手拇指指向运动方向，手指向反中微子旋转的方向卷曲。存在的每一个费米子在粒子和反粒子之间都是对称的，包括相等数量的左手和右手类型。这奇异的特性表明，中微子是Majorana（而不是正常的Dirac）费米子，他们在那里表现为自己的反粒子。

为什么会这样？最简单的答案是通过一个被称为跷跷板机制的想法。

公共领域的形象，由E. Siegel修改

如果你从左手和右手相等的质量（绿点）开始，但是一个巨大的质量落在跷跷板的一侧，它会产生一个可以作为暗物质候选的超重粒子作为右手中微子）和非常轻的正常中微子（充当左手中微子）。这种机制会导致左手中微子作为马约拉纳粒子。

如果你有典型的质量“正常的”中微子 - 可以预期的其他标准模型微粒（或电弱微观）相当。左手中微子和右手中微子将是平衡的，并且将具有大约100 GeV的质量。但是，如果有一些非常重的粒子，比如在某种超高尺度（大约10 15 GeV，典型的大统一尺度）中存在的黄色粒子，它们可能落在跷跷板的一侧。这个质量会和“正常”的中微子混合在一起，你会得到两种类型的粒子：

• 一个稳定的，中立的，弱相互作用的超重右手中微子（大约10 15 GeV），由沉降在跷跷板一侧的沉重物质制成，
• 光，“正常的”质中性，弱相互作用左手中微子平方过重质量：约（100电子伏特）2 /（10 15 电子伏特），或者围绕0.01电子伏特。

第一种类型的粒子很容易成为我们需要的暗物质粒子的质量：一类被称为WIMPzillas的冷暗物质的成员。这可以成功地复制我们需要恢复观测到的宇宙的大尺度结构和引力效应。同时，第二个数字与我们今天宇宙中的中微子的实际允许质量范围非常吻合。考虑到一个或两个数量级的不确定性，这可以准确地描述中微子如何工作。它给出了一个暗物质的候选人，为什么中微子会如此轻的解释，以及其他三个有趣的事情。

E.西格尔/超越银河

宇宙的预期命运（前三个插图）都对应于一个物质和能量与最初扩张速度相抵触的宇宙。在我们观察到的宇宙中，宇宙加速是由某种类型的暗能量引起的，这是迄今为止无法解释的。

黑暗的能量。如果你试图计算出宇宙的零点能量或者真空能量，那么你会得到一个荒谬的数字：Λ（10 19 GeV）4左右。如果你听说有人说黑暗能量的预测太大了大约120个数量级，这是他们从那里得到的数字。但是，如果你更换号码 10个19 0.01电子伏特电子伏特与中微子的质量，你会得到一个号码，不要对周围 Λ（0.01 电子伏特）4，所出，以配合我们测量几乎完全值。这不是任何事情的证明，但这是非常有启发性的。

海德堡大学

当电弱对称性破坏时，由于sphaleron相互作用对中微子过量的影响，CP违反和重子数违规的组合可以产生一个事物/反物质不对称的情况。

一个重子不对称性。我们需要一种在早期的宇宙中产生比反物质更多的物质的方法，如果我们有这个看见的情景，它给了我们一个可行的方法来做到这一点。这些混合状态的中微子可以通过中微子部分产生比反轻子更多的轻子，从而引起宇宙的不对称。当弱电对称断裂，一系列被称为sphaleron相互作用然后可以产生一个宇宙具有比轻子更重子的相互作用，因为重子数（乙）和轻子数（大号）不是单独保守：刚刚组合乙 - 大号。无论你从哪一个轻子不对称开始，它们都会被转换成等重子和轻子不对称。例如，如果你从X的轻子不对称开始，这些sphalerons自然会给你一个“额外”量的质子和中子等于X / 2的宇宙，同时给你相同的X / 2量的电子和中微子结合。

路德维希Niedermeier，图宾根大学/ GERDA

当核经历双中子衰变时，常规地发射两个电子和两个中微子。如果中微子服从这种跷跷板机制并且是马约拉纳粒子，那么中微子双β衰变应该是可能的。实验正在积极寻找这一点。

一种新型的衰变：无中微子双β衰变。暗物质，暗能量和重子不对称的来源的理论思想是令人着迷的，但是你需要一个实验来检测它。直到我们可以直接测量大爆炸中剩余的中微子（和反中微子），由于这些低能中微子的横截面很小，这个实际上是不可能的，我们不知道如何测试中微子是否具有这些特性属性（Majorana）或不（Dirac）。但是，如果发生没有中微子的双重β衰变，我们就会知道中微子毕竟具有这些（Majorana）性质，而这一切都可能是真实的。

MAJORANA中微子双β衰变实验/华盛顿大学

十年前的GERDA实验，对当时的中微子双β衰变做了最强的限制。这里显示的MAJORANA实验有可能最终检测到这种罕见的衰变。如果存在的话，这可能意味着粒子物理学的一场革命。

也许具有讽刺意味的是，粒子物理学的最大进步 - 超越标准模型的一个巨大飞跃 - 可能不是来自我们最大的实验和高能量的探测器，而是来自谦卑，耐心地寻找超稀有的衰变。我们已经限制了中微子双β衰变的寿命超过2×10 25 年，但接下来的十年或两年的实验应该测量这个衰变，如果存在的话。到目前为止，中微子是超越标准模型的唯一粒子物理学暗示。如果中微子双β衰变是真实的，那么它可能是基础物理的未来。它可以解决当今困扰人类最大的宇宙问题。我们唯一的选择就是看。如果大自然对我们友善，未来将不会是超对称，额外维度或弦理论。我们可能只是在我们手中进行中微子革命。