宇宙中微子背景是什么？中微子为什么是第二丰富的粒子

中微子仅次于光子作为宇宙第二丰富的粒子，也是宇宙大爆炸时遗留下来的古老遗迹，除了微波背景辐射，宇宙标准模型最后一个未经验证的预言就是中微子背景，那么中微子在宇宙早期是怎样产生的？它们如何能大量的保存下来？我们为什么探测不到中微子背景？下面我就从宇宙的起源说起。

中微子是怎样是正反物质湮灭中大量存活的

宇宙源于大爆炸，那大爆炸这个想法是咋来的？其实是一个很简单的推理，自从哈勃说我们这个宇宙不是恒定不变的，星光在红移空间在膨胀，绝大多数星系正在远离我们，而且离我们越远的星系推行的速度越快。

还不止这些，当你看到一个遥远星系的时候，因为光速是有限的，所以你看到的是遥远的过去。那么把时间倒过来，宇宙在过去肯定体积更小、密度更大、温度也更高，这就有了大爆炸的想法，大爆炸并不是字面上的意思，并没有什么东西真的爆炸了，其实说的是热膨胀状态，意指宇宙的膨胀。

我们继续让时间倒流，宇宙的密度和温度会持续增加，在宇宙38万年的时候，温度降低到了中性原子可以稳定形成的时候，这时宇宙发出的第一缕光就是我们常说的微波背景辐射，在这之前由于温度较高辐射能量可以将中性原子电离，这时的宇宙就是一片等离子体的海洋，充满了原子核、电子和辐射。如果再往前追溯，宇宙温度会持续增加，原子核都无法在这种高温下稳定的结合在一起，因为一个能量足够高的光子会把原子核炸开形成自由的质子和中子。下图：

这个时期形成的原子核就是宇宙最终的初始原子，但只有8%的质子和中子形成了氦-4，其余的都是单个质子也就是氢核。

但是再往前追溯，我们会发现宇宙中的能量高到光子会自发的形成形成粒子-反粒子对。

其中包括所有的夸克/反夸克对，所有的轻子/反轻子对，所有的胶子、光子和弱玻色子，以及任何迄今尚未发现的粒子。当整个可观测的宇宙被压缩到一个直径小于一光年的空间时，这些粒子/反粒子对就会大量存在，在近似平衡状态下自发地产生和湮灭。

上图可以看到宇宙的这种稠密高温状态不会持续很长时间。随着宇宙的膨胀和冷却，这时的能量再想制造新的粒子-反粒子对会变得越来越困难，而已经存在的正反粒子对将继续湮灭成光子。但是随着空间膨胀的越来越大，由于正反粒子的密度被稀释，粒子很难找到对方，所以湮灭的速度就大幅降低。在同样的密度下，粒子之间发生相互作用的几率取决于粒子的反应横截面，俗称大小。

所以正反粒子湮灭的几率也取决于粒子本身的反应截面，反应截面太小没有来得及湮灭的粒子就会被永久的“冻结”（冷却，损失能量），只要这些粒子能够保持稳定，不会衰变，那么它们就会一直被“保存”到今天。

我们目前知道有三种这样的粒子及其反粒子有这样的本事大量存活：中微子！

宇宙中微子背景

中微子有三种口味来匹配三种带电轻子：电子、μ子和τ子，这三种中微子是已知的最轻、质量最低的非零质量粒子。最重中微子的质量上限仍然比第二轻的电子轻了400多万倍。

中微子的反应截面依赖于自身的能量，在较低的能量下反应截面会变得非常小。到宇宙诞生大约一秒钟的时候，中微子和反中微子由于能量降低就停止相互作用，随着宇宙的膨胀，它们继续失去能量并冷却了下来。上文我们说到中性原子形成以后，光子就会自由的传播，这就是宇宙微波背景的来源。

但是中微子和光子略有不同。宇宙微波背景(CMB)的光子有一个类似于上图的能量谱，其峰值温度为2.725开尔文。

宇宙中微子背景的温度应该稍微低一点，估计为1.96开尔文，最重要的区别是：与光子不同，中微子有质量！

中微子的质量虽小，但比遗留下来的热能要大的多。根据中微子的质量，它们现在的移动速度应该不超过每秒几千公里，可能只有每秒几百公里。

中微子的质量和能量告诉我们，它们已经充满了包括银河系在内的所有大尺度结构中。只占暗物质总量的一小部分大约为0.3%。

目前我们还不知道怎样大量有效的探测这些中微子。

为什么无法大量的探测到中微子

我们现在可以探测到少量的中微子，但只有中微子总量的10亿分之一。由于中微子现在的能量导致其反应横截面非常小，又不参与电磁相互作用和强相互作用，只与弱相互作用和引力互动，由于弱相互作用是一种短程力，比原子核的半径还要小，而中微子的截面想撞上原子核就像，八百里开外想打一直苍蝇，所以在中微子面前所有东西都是透明的。

探测中微子背景辐射是关于大爆炸最后一个未经验证的伟大预言，尽管每立方厘米的空间中有数百个中微子和反中微子，尽管中微子以每秒数百公里的速度快速在移动，但是中微子能与正常物质发生的唯一相互作用是核反冲，也就是上文所说的撞击原子核。这种几率也不足以我们大量的探测中微子背景辐射。

总结：中微子的其他问题

还有一些关于中微子的问题，我们很长一段时间认为中微子具有左手态，也就是说，它们的自旋总是和动量方向相反，或自旋- 1/2 。反中微子具有右手态，自旋总是指向与动量相同的方向或自旋+ 1/2 。而我们所知道的所有其他半整数自旋粒子都有自旋± 1/2 版本，无论是物质和反物质。

但中微子不行。这就引发了人们的猜测，即中微子实际上可能是它们自己的反粒子，被称为马约拉纳（Majorana）中微子。如果中微子是自己的反粒子，那么就会有一种特殊类型的双β衰变，但目前还没有检测到。

这就是宇宙大爆炸留下的10^90个中微子和反中微子，中微子的特殊性质使它们成为宇宙中仅次于光子，第二丰富的粒子。宇宙中每一个质子对应了超过10亿个中微子。但是这些遗留下来的中微子，构成的宇宙中微子背景(CNB)，我们完全探测不到。这也是最后一个未经证实的关于大爆炸的伟大预言:宇宙中微子背景！