引力波“曲线救国”如何探测到惰性中微子呢?

2020-02-06 16:49:55 来源：科技日报

现有的宇宙大爆炸理论认为，我们身处的宇宙源于138亿年前的一次大爆炸，但这一理论也认为，大爆炸时产生了等量的物质和反物质，而正反物质相遇时会彼此湮灭，使一切烟消云散。

但宇宙间的万事万物又的确存在，这中间发生了什么曲折离奇的故事呢?美国、日本和加拿大科学家近日提出的一项新理论认为，早期宇宙发生的相变使中微子衰变成更多粒子(数量比反粒子多)，致使正反物质的数量出现偏差。这一相变也会产生“宇宙弦”，而宇宙弦会产生引力波，探测到这些引力波，或可揭示正反物质不对称之谜。

对此，中国科学技术大学物理学院天文系教授蔡一夫对科技日报记者说：“即便观测到宇宙弦产生的引力波，可能还需很多条件才能进一步证实上述观点。不过，这提供了一种解决正反物质不对称之谜的新思路。”

中微子“挺身而出”

现代宇宙学大爆炸理论认为，大爆炸之初，宇宙中产生了等量的物质和反物质。如果“剧情”一直这样发展下去，那么，物质和反物质最终会“狭路相逢”，彼此湮灭。

但实际上，现在我们身处的宇宙中满天繁星，充满了各种物质，这就与上述理论产生了矛盾。因此，为使宇宙得以存在，必须要有少量反物质转化为物质，使正反物质数量不平衡。科学家认为，物质的数量只需比反物质多十亿分之一就可以让宇宙存在。

但正反物质之间这种不平衡是何时以及如何出现的?目前仍是未解之谜，这也是宇宙间最大的谜团之一。美国加州大学伯克利分校博士后研究员杰夫·德罗说：“这个问题很难回答。”

鉴于物质和反物质电荷相反，因此除非它们呈电中性，否则它们不会相互转化。中微子是我们迄今已知唯一呈电中性的物质粒子，科学家对它寄予厚望，认为它是完成这一神圣使命的“不二人选”。

目前已知存在3种中微子：电子中微子、缪子中微子和陶子中微子。但有科学家提出，可能存在第四种中微子：惰性中微子。

还有些科学家认为，宇宙暴胀后经历了一个相变，使早期宇宙中产生的惰性中微子衰变出更多粒子(数量比反粒子多)，让物质和反物质的数量得以“重新洗牌”。

最新研究合作者、加拿大粒子物理与原子核物理实验室(TRIUMF)博士后格雷厄姆·怀特表示：“当宇宙的温度为今天宇宙中最热地方温度的1012倍—1024倍时，中微子的‘行为举止’或许可以确保宇宙存在。”

引力波“曲线救国”

那么，如何探测到这些惰性中微子呢?

研究人员表示，现在科学家无法直接观测到惰性中微子，因为通过实验制造出惰性中微子，需要一个比大型强子对撞机强大许多的粒子加速器，所以只能通过间接方法，探测宇宙弦产生的引力波或是一种“曲线救国”之法。

论文合著者、日本东京大学卡夫里宇宙物理与数学研究所首席研究员村山瞳说：“早期宇宙的这次相变可能创造出了宇宙弦，这些宇宙弦实质上是时空的拓扑缺陷。”

蔡一夫对科技日报记者解释说：“相变在我们日常生活中比比皆是，例如水冻成冰、铁磁体变成顺磁体等。我们的宇宙所经历的历史就是一个不断发生相变的热膨胀历史，在这个过程中有基本粒子的产生，基本粒子凝合成元素，元素最后结合出我们见到的熟悉的物质结构。”

蔡一夫进一步指出：“相变过程伴随着能量释放，宇宙弦就是宇宙经历相变时释放能量形成的一根根与当时的宇宙尺度相当的绳子一样的能量结构。”

德罗和村山瞳等人认为，随着这些宇宙弦不断演化，会产生引力波，且产生引力波的频谱与黑洞并和等天体物理源产生引力波的频谱截然不同。未来的引力波观测台，例如即将于2020年中期启用的“平方公里阵列”(SKA)、拟于2034年发射的欧洲航天局的“空间天线激光干涉仪”(LISA)、日本宇宙探索局的分赫兹干涉引力波天文台(DECIGO)等，或许可以探测到这些引力波。

研究人员表示，找到这些宇宙弦产生的引力波还有其他用途，例如找到宇宙弦产生的高能中微子，更精确确定已知中微子的质量等。

对此，蔡一夫认为：“宇宙弦产生引力波并不意外，只是我们还没有幸运地发现其‘倩影’。而且，即便我们探测到宇宙弦，宇宙弦的产生机制也并非唯一，还需要确认背后的相变过程才能证实上述观点。”

另外，蔡一夫强调说：“宇宙弦如果带电的话，可以利用多信使天文检测手段，如快速射电暴的观测来检验这些超导的宇宙线，从而更立体、更清晰地分辨宇宙相变的‘蛛丝马迹’。”(记者刘霞)

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