宇宙中的「隱身人」如何在銀河系「聚會」？我國學者宇宙中微子背景研究取得新進展

科技日報記者 郝曉明 通訊員 王鈺慧

人類對宇宙的起源充滿了想像。對宇宙中存在的中微子背景的研究，可以將人類對宇宙的認知一下子回到「嬰兒時代」，也就是宇宙年齡為1秒鐘的那個時刻。

日前，我國學者在宇宙中微子背景的研究取得新進展。這一研究成果讓我們了解到來自「嬰兒宇宙」的中微子「信使」如何在銀河系中聚集，從而為研究宇宙中最古老的中微子如何在銀河系中結團提供依據。該成果近日發表在《自然·通訊》上。

「我們在N單體模擬中發展了一種重要的計算方法即重加權方法。它只需要運行一次基準模擬計算，便可以得到不同中微子質量和相空間分布下的中微子密度輪廓，從而可以研究宇宙中最古老的中微子是如何在銀河系中結團的。」東北大學理學院張鑫教授介紹。作為研究者之一，他與北京大學高能物理研究中心張珏博士在宇宙遺迹中微子的引力結團效應研究中取得了重要進展。

接近「零質量」的宇宙「隱身人」

中微子是解開諸多宇宙之謎的關鍵，相關研究一直處於科學研究的最前沿。

迄今為止，與中微子直接相關的科學研究已經獲得四次諾貝爾物理學獎，而我國在這一基礎科學領域中也做出極為重要的貢獻。在大亞灣反應堆中微子實驗中，我國首次發現了一種新的中微子振蕩模式的存在，被外界評價為「來自中國的最重要的物理實驗結果」。

作為構成物質世界的最基本的粒子之一，中微子不帶電，質量非常輕，以接近於光的速度來運動，與其他基本粒子之間的相互作用也十分微弱，被戲稱為宇宙中的「隱身人」。

而對宇宙遺迹中微子的實驗探測，是基礎物理中的重要課題，意義十分重大。「來自『嬰兒宇宙』的中微子『信使』如何在銀河系中聚集，這關係到對它們的俘獲。」張鑫介紹。

據了解，利用「重加權方法」這一計算方案，可以在幾分鐘之內即可獲得原本需要數周時間計算所得到的結果，極大地節省了計算資源，非常有利於促進宇宙遺迹中微子引力結團的研究，並在未來對宇宙中的中微子背景探測實驗以及相關的唯象研究中發揮重要作用。

宇宙大爆炸產生「遺迹中微子」

標準宇宙學模型預言，在宇宙大爆炸後1秒左右，中微子從「宇宙的粒子碰撞遊戲」中退場，不再跟其他粒子碰撞，從而形成了宇宙中微子背景。這些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遺迹之一，也被稱為宇宙的遺迹中微子。

宇宙演化至今，這些宇宙遺迹中微子的平均數密度約為每立方厘米336個。儘管標準宇宙學模型對遺迹中微子的平均數密度做出了精確的預言，但是在實際的探測計劃中還需考慮引力的因素。

「中微子的質量很小，但終究不是零，這導致它們會感受到銀河系中暗物質和重子物質的引力，因此在地球附近的遺迹中微子的實際數密度會高於其平均值。」張鑫說，

正因如此，對遺迹中微子在銀河系中的引力結團研究已成為未來宇宙中微子背景實驗探測研究中的必要環節。

張鑫介紹，在研究銀河系中遺迹中微子引力結團問題時我們注意到，中微子運動所遵循的哈密頓方程可以被改寫成不依賴於質量的形式，在N單體模擬中重構出的中微子密度輪廓只取決於每個測試粒子在相空間中所攜帶的權重。因此，只需運行一次基準模擬計算，即可通過「重加權」技術得到其他中微子質量和相空間分布下的中微子密度輪廓結果。利用了這種計算方法，他們還發現了在地球附近的中微子密度差幾乎正比於中微子質量的平方。

來源：科技日報

編輯：左常睿

審核：管晶晶

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