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對宇宙的詳細研究表明：是由物質(zhì)而不是反物質(zhì)組成的，需要暗物質(zhì)和暗能量，而且我們不知道這些奧秘的起源。圖片版權：Chris Blake and Sam Moorfield
當你仔細觀察宇宙的時候，有一些事實會讓你吃驚：所有的恒星、星系、氣體和等離子體都是由物質(zhì)而非反物質(zhì)組成的，盡管自然界的規(guī)律似乎是對稱的。為了形成在宇宙最大規(guī)模尺度上看到的結構，需要大量的暗物質(zhì)：大約是所擁有的所有正常物質(zhì)的5倍。為了解釋膨脹率是如何隨時間變化的，需要一種神秘的空間固有的能量形式，它是所有其他形式組合的能量的兩倍(就像能量一樣重要)——暗能量。這三個謎題可能是21世紀最偉大的宇宙問題，然而一個超越標準模型的粒子——中微子，也許可以解釋所有的問題。
粒子物理學標準模型的粒子和反粒子與實驗所要求的完全一致，只有大量的中微子提供了一個難點。圖片版權：E, Siegel / Beyond the Galaxy
在物理宇宙中有兩種標準模型：
1、粒子物理學的標準模型(上圖)，有六種不同的夸克和輕子，它們的反粒子，標準玻色子，以及希格斯粒子。
2、宇宙學的標準模型(下圖)，有暴漲的大爆炸，物質(zhì)而不是反物質(zhì)，以及形成恒星，星系，星系團，細絲（宇宙網(wǎng)）和現(xiàn)在宇宙的結構形成的歷史。
這兩種標準模型都是完美的，它們解釋了我們所能觀察到的一切，但都包含了無法解釋的奧秘。從粒子物理學的角度來看，為什么粒子質(zhì)量有它們所做的價值，而在宇宙學方面，存在著暗物質(zhì)和暗能量的奧秘，以及它們?yōu)楹?以及如何)主宰宇宙。
宇宙中現(xiàn)在（左）和更早（右）的物質(zhì)和能量含量。注意暗能量，暗物質(zhì)的存在以及普通物質(zhì)比反物質(zhì)的普遍存在，這是非常微小的，它在任何時候都沒有發(fā)生作用。圖片版權：NASA, modified by Wikimedia Commons user 老陳, modified further by E. Siegel
所有這一切的一個大問題是：粒子物理的標準模型完美解釋了我們所觀察到的一切——每一個粒子，相互作用，衰變等等。我們從來沒有在對撞機、宇宙射線或其他任何與標準模型的預測相反的實驗中觀察到單獨的相互作用。唯一的實驗提示是：標準模型并沒有給出所觀察到的所有東西，這就是中微子振蕩的事實：一種中微子在穿過空間的過程中轉換成另一種中微子，特別是通過物質(zhì)。只有當中微子有一個很小很小的非零質(zhì)量，而不是標準模型所預測的無質(zhì)量性質(zhì)時，這種情況才會發(fā)生。
如果從一個電子中微子(黑色)開始，并允許它穿越空的空間或物質(zhì)，它將有一定概率可能性進入其他兩種類型中振蕩，只有當中微子有非常小而非零的質(zhì)量時才會發(fā)生。圖片版權：Wikimedia Commons user Strait
那么，為什么中微子是如何得到它們的質(zhì)量的呢？又為什么這些物質(zhì)與其他物質(zhì)相比如此之小?
一個電子的質(zhì)量差，最輕的正常標準模型粒子和最重的可能中微子之間的質(zhì)量差異大于400萬倍，這個差距甚至比電子和頂夸克之間的差距還要大。圖片版權：Hitoshi Murayama
更奇怪的是，當仔細看這些粒子的時候。所觀察到的每一個中微子都是左手性的，這意味著如果把左手的大拇指指向某個方向，手指就會向中微子的方向彎曲。另一方面，每一個反中微子(字面上)都是右撇子——右手拇指指向它的運動方向，手指在反中微子的旋轉方向上彎曲。每一個存在于粒子和反粒子之間的費米粒子，包括等量的左旋和右撇子類型。這種奇異的性質(zhì)表明中微子是馬約喇納(而不是普通的狄拉克)費米子，它們在那里表現(xiàn)為自己的反粒子。
為什么會是這樣呢？最簡單的答案：這是通過一個稱為“蹺蹺板”的機制。
如果你從左手和右手相等的質(zhì)量（綠點）開始，但是一個巨大的質(zhì)量落在蹺蹺板的一側，它會產(chǎn)生一個可以作為暗物質(zhì)候選的超重粒子作為右手中微子）和非常輕的正常中微子（充當左手中微子）。這種機制會導致左手中微子作為馬約拉納粒子。圖片版權：public domain image, modified by E. Siegel
如果有典型質(zhì)量“正常的”中微子可以與其他標準模型粒子相當。左手中微子和右手中微子將是平衡的，并且將具有大約100 GeV的質(zhì)量。但是，如果有一些非常重的粒子，比如在某種超高尺度（大約10^15 GeV，典型的大統(tǒng)一尺度）中存在的黃色粒子（上圖），它們可能落在蹺蹺板的一側。這個質(zhì)量會和“正?！钡闹形⒆踊旌显谝黄饘玫絻煞N類型的粒子：
1、一個穩(wěn)定中性弱相互作用的超重右手中微子（大約10^15 GeV），沉降在蹺蹺板的一邊的重質(zhì)量而變得“沉重”失衡
2、一種輕而中性弱相互作用的“正?！辟|(zhì)量平方的左旋中微子重質(zhì)量大約(100gev)2 /(10^15 GeV)或約0.01 eV。
第一類粒子很容易成為我們需要的暗物質(zhì)粒子的質(zhì)量：一類被稱為WIMPzillas的冷暗物質(zhì)的候選物質(zhì)。這可以成功地復制需要恢復觀測到的宇宙的大尺度結構和引力效應。同時，第二個數(shù)字與我們今天宇宙中的中微子的實際允許質(zhì)量范圍非常吻合?？紤]到一個或兩個數(shù)量級的不確定性，這可以準確地描述中微子如何作用的。給出了一個暗物質(zhì)的候選，為什么中微子會如此輕的解釋，以及其他三件有趣的事情。
宇宙的預期命運（前三個圖）都對應于一個物質(zhì)和能量與最初膨脹速度相“抵抗”的宇宙。在我們觀察到的宇宙中，宇宙加速度是由某種類型的暗能量引起的，但迄今為止還無法解釋。圖片版權：E. Siegel / Beyond the Galax
暗能量：如果你試圖計算出宇宙零點能量或者真空能量，那么會得到一個荒謬的數(shù)字：Λ?（10^19 GeV）4左右。如果你聽說有人說暗能量的預測太大了，大約120個數(shù)量級，這是他們從那里得到的數(shù)據(jù)，但是如果你替換這個數(shù)據(jù)10^19 GeV的中微子的質(zhì)量在0.01 eV，便會得到一個數(shù)據(jù)：Λ~(0.01 eV)^4，與周圍我們測量的值幾乎完全匹配。這并不是什么證據(jù)，但它很有啟發(fā)性。
當電弱對稱性破壞時，由于sphaleron相互作用對中微子過量的影響，CP違反和重子數(shù)違規(guī)的組合可以產(chǎn)生物質(zhì)/反物質(zhì)不對稱的情況。圖片版權：海德堡大學
重子不對稱性：需要一種在早期的宇宙中產(chǎn)生比反物質(zhì)更多的物質(zhì)的方法，如果我們有這種蹺蹺板的場景，一個可行的方法來做到這一點。這些混合狀態(tài)的中微子可以通過中微子部分產(chǎn)生比反輕子更多的輕子，從而引起宇宙的不對稱。當弱電對稱斷裂，一系列被稱為sphaleron相互作用然后可以產(chǎn)生一個宇宙具有比輕子更重子的相互作用，因為重子數(shù)（B）和輕子數(shù)（L）不是存在：只是結合B - L。無論從哪一個輕子不對稱開始，都會被轉換成等重子和輕子不對稱。例如，如果從X的輕子不對稱開始，這些sphalerons自然會給有一個“額外”量的質(zhì)子和中子等于X / 2的宇宙，同時會有相同的X / 2量的電子和中微子的結合。
當原子核經(jīng)歷雙中子衰變時，兩個電子和兩個中微子會以傳統(tǒng)方式發(fā)射。如果中微子服從這種蹺蹺板機制，并且是馬約喇納粒子，那么中微子的雙衰變應該是可能的。實驗正在積極尋找。圖片版權：Ludwig Niedermeier, Universitat Tubingen / GERDA
一種新型的衰變：中性中微子雙β衰變。暗物質(zhì)，暗能量和重子不對稱的來源的理論思想是令人著迷的，但是需要一個實驗來檢測它。直到我們可以直接測量大爆炸中剩余的中微子（和反中微子），由于這些低能中微子的橫截面很小，這個實際上是不可能的事情，我們不知道如何測試中微子是否具有這些中微子性質(zhì)（馬約喇納）或不具有（狄拉克)）。但是，如果發(fā)生沒有中微子的雙重β衰變，我們就會知道中微子畢竟具有這些（Majorana）性質(zhì)，而這一切都可能是真實的。
10年前的格爾達實驗(GERDA實驗)對中微子雙β衰變做了最強的限制。在這里展示的馬略亞納實驗，有可能最終探測到這種罕見的衰變。如果它存在可能預示著粒子物理學的一場革命。圖片版權：The MAJORANA Neutrinoless Double-beta Decay Experiment / University of Washington
也許具有諷刺意味的是：粒子物理學的最大進步——超越標準模型的巨大飛躍，可能不是來自我們在高能的實驗和探測器上，而是來自謙卑，耐心地尋找一種超稀有的衰變。中微子雙β衰變的壽命超過2×10^25 年，如果它存在，接下來的十年或二十年的實驗應該驗證這個衰變。到目前為止，中微子是超越標準模型的粒子物理的唯一線索。
如果中微子雙β衰變是真實的，那么它可能是基礎物理的未來。它可以解決當今困擾人類的最大的宇宙問題。如果大自然對是友善的，未來將不會是超對稱，額外維度或弦理論。我們可能只是在進行中微子革命！
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內(nèi)容：“博科園”判定符合今主流科學
來自：Forbes science
編譯：光量子
審校：博科園
