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厉害!人类对宇宙的认知能否推进至宇宙年龄仅为1秒的时期?东北大学的这项研究迈出了关键一步!
爱因斯坦 2018-05-14
导语

这是中国高校科研工作者在世界科技最前沿的中微子研究领域取得的一次突破性进展,这一研究可让我们了解来自婴儿宇宙的中微子信使如何在银河系中聚集,而这关系到能否让我们将对宇宙的认知推进至宇宙年龄仅为1秒的时期。

中微子,构成物质世界的最基本的粒子之一。中微子质量非常轻,以接近光速运动,与其他基本粒子之间的相互作用十分微弱,被戏称为宇宙中的“隐身人”。

中微子? 是不是觉得神奇又神秘?

中微子研究? 是不是觉得厉害极了?

日前,东北大学理学院张鑫教授与北京大学高能物理研究中心张珏博士合作,在宇宙遗迹中微子的引力结团效应研究中取得重要进展:在N单体模拟中发展了一种重要的计算方法——重加权方法,使得只利用一次模拟即可得到不同中微子质量和相空间分布下的中微子密度轮廓,从而研究宇宙中最古老的中微子如何在银河系中结团。

5月9日,该项成果在《Nature Communications》上发表,这是中国高校科研工作者在世界科技最前沿的中微子研究领域取得的一次突破性进展,这一研究可让我们了解来自婴儿宇宙的中微子信使如何在银河系中聚集,而这关系到能否让我们将对宇宙的认知推进至宇宙年龄仅为1秒的时期。

中微子是解开诸多宇宙之谜的关键,目前仍有许多令人着迷的基本科学问题等待着人们去探索。中微子物理的研究一直处于科学研究的最前沿。迄今为止,与中微子直接相关的科学研究已经获得了四次诺贝尔物理学奖。中国在这一基础科学领域已作出极为重要的贡献,大亚湾中微子实验首次发现了一种新的中微子振荡模式的存在。

据张鑫介绍,宇宙遗迹中微子的实验探测,是基础物理中的重要课题,意义十分重大。这些最古老的中微子是婴儿宇宙的信使,想俘获它们,首先要了解它们如何在银河系中结团。

张鑫表示,这一计算方案,在几分钟之内即可获得原本需要数周时间计算所得到的结果,极大地节省了计算资源,非常有利于促进宇宙遗迹中微子引力结团的研究,将在未来的宇宙中微子背景探测实验以及相关的唯象研究中发挥重要作用。

标准宇宙学模型预言,在宇宙大爆炸后1秒左右,中微子从热浴中退耦,形成宇宙中微子背景。这些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遗迹之一,也被称为宇宙的遗迹中微子。宇宙演化至今,这些宇宙遗迹中微子的平均数密度约为每立方厘米336个(含各种味道的中微子和反中微子;对于每种味道态的中微子,其平均数密度约为每立方厘米56个)。

尽管标准宇宙学模型对遗迹中微子的平均数密度做出了精确的预言,但是在实际的探测计划中还需考虑引力的因素。中微子的非零质量导致它们会感受到银河系中暗物质和重子物质的引力,因此在地球附近遗迹中微子的实际数密度会高于其平均值。正因如此,对遗迹中微子在银河系中引力结团的研究已成为未来宇宙中微子背景实验探测研究中的必要环节。

我们在研究银河系中遗迹中微子引力结团问题时注意到,中微子运动所遵循的哈密顿方程可以被改写成不依赖于质量的形式,在N单体模拟中重构出的中微子密度轮廓只取决于每个测试粒子在相空间中所携带的权重。因此,只需运行一次基准模拟计算,即可通过“重加权”技术得到其他中微子质量和相空间分布下的中微子密度轮廓结果。

▲热遗迹中微子在银河系中的引力结团效应

利用该方法,张鑫与张珏发现,在地球附近,中微子密度差几乎正比于中微子质量的平方(在宇宙学观测所支持的小中微子质量区域)。对于即将开展的旨在探测宇宙中微子背景的“托勒密”(PTOLEMY)实验计划,他们利用该方法计算了引力结团效应对于遗迹中微子俘获率的影响,并对相关的中微子质量等级和新物理效应等问题进行了深入探讨。

文章链接:

J. Zhang & X. Zhang, "Gravitational clustering of cosmic relic neutrinos in the Milky Way," Nature Communications 9 (2018) 1833

(本文来源:东北大学微信公众号;)

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作者 爱因斯坦

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北京航空航天大学

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  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
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