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天文右手征中微子，解密，暗物质的背后


右手边 ， 中微子 ， 暗物质的秘密？

天文右手征中微子，解密，暗物质的背后
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图片来源：伊桑·西格尔 ， 来自他的新书《银河系之外》
基本粒子的标准模型是完整的 。 每个预测粒子都在其中：
六夸克和三种不同颜色的反夸克 ，
三个带电轻子（电子、μ介子和τ中微子）及其对应的中微子 ，
六个反轻子对应物 ，
八个胶子 ， 三个重弱玻色子（W+ ， W- ， Z） ， 光子和希格斯玻色子 ，

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图解：希格斯玻色子
它们已经直接检测到 。 尽管标准模型取得了成功 ， 实验粒子物理学也取得了压倒性的成功 ， 但宇宙中仍有一些谜团尚未解开 ， 而且二者有可能相互关联 。
其中一个谜便是暗物质 。 宇宙中所有“已知”的物质都来自标准模型 ， 其中包括光子的辐射 ， 夸克、胶子和电子的正常物质 ， 以及中微子的一小部分热暗物质 。 但是如果将所有内容全部相加 ， 然后对得到的结果进行模拟 ， 就不会得到像我们这样的宇宙 。 相反 ， 你会得到一个抑制星系形成的地方 ， 那里恒星形成把年轻的星系撕裂开来 ， 重元素射入星际空间 ， 永远不会形成岩石星系 ， 在那里 ， 宇宙的大规模结构看起来大不相同 。

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图解： 胶子（是传递夸克(Quark)之间强相互作用的粒子）
为得到我们今天的宇宙 ， 给你们：
宇宙微波背景中观测到的波动 ，
星系大小尺度的聚集特征 ，
螺旋星系和椭圆星系的旋转剖面 ，
星系团的引力透镜效应 ， 以及更多的观测 ，
除了标准模型预测的物质外 ， 你还需要额外的物质：某种暗物质 。 这种暗物质含量必须是所有正常物质（标准模型）总和的五倍 ， 它必须足够大 ， 必须聚集在一起 ， 而且必须比光速慢 。 各种间接证据证明暗物质存在 ， 但我们从未直接探测到它 。 为了弄清它的本质 ， 我们必须这样做 。
第二个谜是中微子的质量 。 标准模型中所有其他粒子要么是完全无质量的（如光子或胶子） ， 要么是有一个相当大的质量 ， （在一个相对较大但定义明确的范围内） 。 最轻的粒子 ， 电子 ， 质量约为5.11*105电子伏特 ， 而最重的顶夸克 ， 质量约为1.75*1011电子伏特 。 这似乎是一个很大的范围 ， 但用一个小于40万电子伏特的因子 ， 来覆盖所有的粒子是个不错的选择 。

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图解：中微子又译作微中子 ， 是轻子的一种 ， 是组成自然界的最基本的粒子之一 ， 常用符号ν表示 。 中微子不带电 ， 自旋为1/2 ， 质量非常轻(有的小于电子的百万分之一) ， 以接近光速运动 。
长期以来 ， 人们认为中微子也没有质量 。 但这一项实验发现 ， 电子、μ和τ这三种类型中微子 ， 都有非常小但并不为零的质量 ， 它们的重量大约在毫伏电子范围内 ， 或者至少比电子轻一千万倍！
对那些预测为无质量的粒子 ， 这是一个问题！为什么它们不仅有质量 ， 而且它们的质量为什么会如此微小？其中一个主要的想法是中微子质量可以像跷跷板一样工作 ， 这是上世纪70年代末的一些科学家首次提出的！如你所见 ， 我们看到的中微子都是左手征的 ， 也就是说 ， 如果你把自己定位在它们的运动方向上 ， 它们都会以同样的方式旋转 。 同样 ， 所有的反中微子都是右手征的 。
可如果你假设自然界中有一个非常大的质量尺度 ， 像一个巨大的统一尺度 ， 那么中微子（左手征和右手征）可能有一个“正常”的质量 ， 就像其他标准模型粒子 ， 它们在跷跷板上可以保持平衡的 。 但随着重质量出现 ， 坐在跷跷板的一边 ， 将它们分开：左手征中微子变得非常轻 ， 同时右手征中微子会变得非常重 。


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