一項(xiàng)最新研究檢驗(yàn)了“中微子質(zhì)量源自超輕暗物質(zhì)”的理論。

中微子是已知最奇特的粒子之一，其質(zhì)量極其微小，以至于每秒有數(shù)萬億個中微子悄無聲息地穿過你的身體。然而，盡管難以察覺，它們卻攜帶著一個令物理學(xué)家徹夜難眠的謎團(tuán) —— 它們那微小到幾乎無法察覺的質(zhì)量究竟從何而來？

此前，一個引人入勝的理論提出，中微子通過與超輕暗物質(zhì)的相互作用獲得了其微小質(zhì)量。在最近的一項(xiàng)研究中，研究人員利用真實(shí)世界的數(shù)據(jù)對這一觀點(diǎn)進(jìn)行了檢驗(yàn)。他們的發(fā)現(xiàn)表明，中微子質(zhì)量的暗物質(zhì)起源理論很可能并非正確答案。

“我們的結(jié)論是，如所提出的那樣，中微子與標(biāo)量暗物質(zhì)的相互作用，不太可能是中微子質(zhì)量生成的主導(dǎo)機(jī)制，”該研究的作者指出。

這一結(jié)論進(jìn)一步加深了中微子之謎?，F(xiàn)在，中微子質(zhì)量更有可能源自常規(guī)物理學(xué)，或者可能與暗物質(zhì)完全無關(guān)的新物理。

檢驗(yàn)暗物質(zhì)相互作用理論

研究人員從一個簡單的理論開始研究。如果中微子通過與一種由極輕粒子（輕于10電子伏特，一個電子質(zhì)量約為511,000電子伏特）構(gòu)成的暗物質(zhì)相互作用而獲得質(zhì)量，情況會怎樣？這些輕粒子（很可能是玻色子）可以像在空間中振蕩的柔和波一樣，影響經(jīng)過的中微子的行為。

為了驗(yàn)證這一點(diǎn)，研究人員構(gòu)建了一個理論框架，解釋了如果中微子確實(shí)與這種超輕暗物質(zhì)相互作用，它們會如何表現(xiàn)。根據(jù)他們的模型，暗物質(zhì)場會以兩種主要方式影響中微子。

第一是基于時(shí)間的變化：暗物質(zhì)場的行為像緩慢移動的波，會隨著時(shí)間的推移引起中微子質(zhì)量的微小變化。這取決于波的頻率，而頻率又與暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量相關(guān)。

第二是基于空間的影響：地球上中微子探測器的位置、太陽的位置以及地球在太空中的運(yùn)動，都會影響中微子如何與振蕩的暗物質(zhì)場相互作用。

研究人員解釋說，這些因素會輕微改變中微子從一種類型振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N類型的概率（例如，從電子中微子轉(zhuǎn)變?yōu)榭娮又形⒆樱?。隨后，他們將模型的預(yù)測結(jié)果與日本KamLAND實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。KamLAND是一個中微子探測器，多年來收集了來自自然和人造源的精確測量數(shù)據(jù)。

通過運(yùn)行模擬并將理論信號與KamLAND的觀測結(jié)果進(jìn)行對比，研究團(tuán)隊(duì)尋找任何與受暗物質(zhì)影響的質(zhì)量起源所預(yù)期的模式相匹配的跡象。他們還使用了其他中微子實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了交叉驗(yàn)證，包括測量太陽中微子的實(shí)驗(yàn)以及短基線和長基線振蕩實(shí)驗(yàn)（即在不同距離上追蹤中微子的實(shí)驗(yàn)）。

“我們開發(fā)了一個框架，其中中微子質(zhì)量的微小性源于它們與暗物質(zhì)領(lǐng)域的相互作用，然后我們嚴(yán)格測試了是否可以利用現(xiàn)有的中微子數(shù)據(jù)（包括短基線和長基線中微子振蕩實(shí)驗(yàn)以及太陽中微子測量）檢測到這種聯(lián)系，”該研究的作者之一盧卡·維西內(nèi)利（Luca Visinelli）說。
他補(bǔ)充道：“我們的結(jié)果表明，當(dāng)前的數(shù)據(jù)并不支持這種中微子質(zhì)量的暗物質(zhì)領(lǐng)域起源?！?/p>

我們走到死胡同了嗎？

先前將中微子質(zhì)量與暗物質(zhì)聯(lián)系起來的理論曾讓科學(xué)家們寄予希望：發(fā)現(xiàn)超輕暗物質(zhì)或許也能解開中微子質(zhì)量之謎。然而，當(dāng)前研究的發(fā)現(xiàn)排除了這一想法，并表明如果這種相互作用存在，它們應(yīng)該已經(jīng)在振蕩數(shù)據(jù)中留下了可探測的“指紋”，但事實(shí)并非如此。

這讓研究回到了原點(diǎn)?？茖W(xué)家們現(xiàn)在依然不知道到底是什么賦予了中微子質(zhì)量。然而，雖然這看起來像是走進(jìn)了死胡同，但實(shí)際上是一個重大的進(jìn)步。

通過排除一個流行的理論，這項(xiàng)研究幫助科學(xué)家縮小了可能性范圍，并將注意力集中在更有希望的路徑上 —— 這些路徑可能涉及標(biāo)準(zhǔn)模型之外但與暗物質(zhì)無關(guān)的新粒子或新作用力。

此外，隨著中國江門中微子實(shí)驗(yàn)（JUNO）和美國深層地下中微子實(shí)驗(yàn)（DUNE）等即將進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)有望提供更精確的中微子數(shù)據(jù)，研究人員計(jì)劃重新審視并改進(jìn)他們的模型，以測試其他微妙的影響。他們也在探索類似的暗物質(zhì)領(lǐng)域相互作用可能如何影響其他系統(tǒng)，例如原子鐘或量子傳感器。

該研究已發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。

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