瞭解來自嬰兒宇宙的中微子信使如何在銀河系中聚集
關係到能否讓人類將對宇宙的認知推進至宇宙年齡僅為1秒的時期
近日，東北大學理學院張鑫教授與北京大學高能物理研究中心張珏博士合作，在宇宙遺蹟中微子的引力結團效應研究中取得重要進展：在N單體模擬中發展了一種重要的計算方法——重加權方法，使得只利用一次模擬即可得到不同中微子質量和相空間分佈下的中微子密度輪廓，從而研究宇宙中最古老的中微子如何在銀河系中結團。
5月9日，該項成果在《Nature》子刊《Nature Communications》上發表，這是中國高校科研工作者在世界科技最前沿的中微子研究領域取得的一次突破性進展，這一研究可讓我們瞭解來自嬰兒宇宙的中微子信使如何在銀河系中聚集，而這關係到能否讓我們將對宇宙的認知推進至宇宙年齡僅為1秒的時期。
中微子，是構成物質世界的最基本的粒子之一。中微子作為費米子（自旋為1/2），不帶電，質量非常輕，以接近光速運動，與其他基本粒子之間的相互作用十分微弱，被戲稱為宇宙中的“隱身人”。
中微子是解開諸多宇宙之謎的關鍵，目前仍有許多令人著迷的基本科學問題等待著人們去探索。中微子物理的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了四次諾貝爾物理學獎。中國在這一基礎科學領域已做出極為重要的貢獻，大亞灣中微子實驗首次發現了一種新的中微子振盪模式的存在。
據張鑫介紹，宇宙遺蹟中微子的實驗探測，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，關係到對它們的俘獲。“這一計算方案，在幾分鐘之內即可獲得原本需要數週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蹟中微子引力結團的研究，將在未來的宇宙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。”張鑫表示。
標準宇宙學模型預言，在宇宙大爆炸後1秒左右，中微子從熱浴中退耦，形成宇宙中微子背景。這些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遺蹟之一，也被稱為宇宙的遺蹟中微子。宇宙演化至今，這些宇宙遺蹟中微子的平均數密度約為每立方厘米336個（含各種味道的中微子和反中微子；對於每種味道態的中微子，其平均數密度約為每立方厘米56個）。
儘管標準宇宙學模型對遺蹟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。中微子的非零質量導致它們會感受到銀河系中暗物質和重子物質的引力，因此在地球附近遺蹟中微子的實際數密度會高於其平均值。正因如此，對遺蹟中微子在銀河系中引力結團的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。
“我們在研究銀河系中遺蹟中微子引力結團問題時注意到，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佈下的中微子密度輪廓結果。”張鑫說。
利用該方法，張鑫與張珏發現，在地球附近，中微子密度差幾乎正比於中微子質量的平方（在宇宙學觀測所支持的小中微子質量區域）。對於即將開展的旨在探測宇宙中微子背景的“托勒密”（PTOLEMY）實驗計劃，他們利用該方法計算了引力結團效應對於遺蹟中微子俘獲率的影響，並對相關的中微子質量等級和新物理效應等問題進行了深入探討。
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