學霸的科幻世界 第五百一十六章 潛心研究
龐學林搖頭笑道：“喬教授，太陽中微子中確實存在這種惰性中微子，但是惰性中微子在轉化過程中，存在的時間很短，我們很難通過現有手段觀測到。但是你有沒有想過，通過宇宙中微子背景輻射去尋找這種惰性中微子？我記得部署在太空中的宇宙中微子背景觀測陣列，就是由高能所掌控的吧，我需要從你這里獲取過去三十年中微子背景輻射觀測陣列所觀測到的所有數據！”
“宇宙中微子背景輻射……”
喬安華皺起眉，喃喃自語。
與宇宙微波輻射類似，宇宙中微子背景輻射是大爆炸的殘留中微子組成。
隨著測量精度的不斷提高，在過去數十年進行的一系列實驗中，天體物理學家發現宇宙背景輻射溫度在不同的區域有微小的起伏。
這些測量提供了關于宇宙年齡和構成的最精確的圖景，目前的觀測數據顯示，宇宙中微子背景每立方厘米大約有150個中微子，溫度約為2開爾文，而且與微波背景一樣是各向異性的。
這種每個方向略有不同的各向異性現象存在于所有案例中，無論是早期宇宙中的物質還是我們今天所見的龐大的星系、星系群。
“可是龐教授，宇宙中微子背景輻射就跟宇宙微波背景輻射一樣，雖然存在一定的起伏波動，但這種起伏波動非常平穩，基本上可以將其視為一條直線，而且我們的中微子背景輻射觀測陣列雖然可以測量中微子振蕩，但只能觀測到中微子在傳播路程中發生周期性變化，由于我們的觀測陣列中存在太陽中微子的干擾，導致觀測到的宇宙中微子背景輻射中，存在某種周期性，差不多每28天一個循環，這幾乎和太陽繞自己軸心自轉的周期重合，在這種情況下，我們實際上觀測到的中微子背景輻射是存在很大的偏差的，想要在這些數據中找到惰性中微子存在的證據，這……這可能么？！”
龐學林笑道：“喬教授，你有沒有想過，中微子具有靜質量，這種周期性是由于太陽不均等的磁場作用造成的。磁場強度的變化，使部分中微子流嚴重偏移，我需要的，恰恰就是這種發生嚴重偏移的中微子流產生的數據！”
喬安華瞪大了眼睛：“龐教授，你的意思是？”
喬安華仿佛隱約捕捉到了龐學林的想法。
龐學林淡淡笑道：“不管是電中微子，μ子中微子，還是t子中微子，它們的質量不超過1.1電子伏特，還不到單個電子的五十萬分之一，但我剛才提到的這種惰性中微子，卻是一種重中微子，按照我計算出的數據，惰性中微子的質量上限應該達到200電子伏特，比剩下幾種中微子高出了兩個數量級。而不管在宇宙中微子背景輻射還是太陽中微子輻射中，電中微子、μ子中微子、t子中微子之間的轉化每時每刻都在發生，也就是說，大量的惰性中微子夾雜在這三種中微子中，因為我們觀測手段的原因，我們沒辦法從這幾種中微子中分辨出這種惰性中微子的存在。但是，只要我們能夠精準測定出宇宙中微子背景輻射里太陽中微子流的偏移角度數據，就能確定太陽中微子射流的質量，將理論質量與實際觀測到的質量做對比。只要存在這種惰性中微子，那么太陽中微子流的質量恐怕遠遠超出我們的預估！”
喬安華的眼睛瞪得越來越大，甚至還有些駭然。
雖然過去半年，龐學林的水平早就在學術界傳開，甚至在數學領域龐學林還幫助科學界解決了幾個重量級的猜想。
但喬安華從未想過，龐學林在基礎物理學領域，竟然也有這種水平。
隱隱間，喬安華甚至有種酸溜溜的感覺。
他很清楚，如果宇宙中微子背景輻射所觀測到的數據與龐學林預測的保持一致，那么基礎物理學必將往前推進一大步，這個年輕人也將在物理學史上留下濃墨重彩的一筆。
諾貝爾物理學獎對他而言更是如同探囊取物。
“龐教授，稍等，我馬上去數據中心取數據！”
龐學林點點頭，看著喬安華的身影一路小跑著出了辦公室。
半小時后，龐學林從喬安華手中拿到了過去三十年宇宙中微子背景輻射陣列所觀測到的所有數據。
接下來的三個月，龐學林再次進入閉關狀態。
三十年的數據，大小超過整整30tb，如果不是經過基因優化藥劑的改造，單單分析這些數據，龐學林就需要幾年時間。
但現在，對他而言，分析數據就是小兒科，最重要的，是如何從這些數據中獲取自己想要的信息。
這種研究如同大海撈針，但龐學林卻顯得興致勃勃。
以往穿越的那些世界，因為種種原因，龐學林雖然見識到了大量的黑科技，也學習了不少物理學、化學領域的前沿知識，但要說獨立做研究，這還是第一次。
宇宙大爆炸中產生的大量光子在熱大爆炸結束后遺留下來，隨著宇宙膨脹而紅移冷卻，形成了我們今天觀測到的宇宙微波背景輻射。
類似地，在宇宙大爆炸期間產生的大量中微子也遺留下來，形成了宇宙中微子背景。
早期宇宙中溫度、密度都很高，因此中微子與其他粒子如重子、正負電子、光子等都發生充分的相互作用而形成熱平衡流體，中微子可與其他粒子相互轉化，這時中微子的分布符合極端相對論性的費米分布。對于一種極端相對論粒子，其數量和質量密度為n34fζ3π2gt3，78fπ230gt4……
其中t為溫度，g為自由度，ζ為黎曼zeta函數。對于費米子則適用前面有下角標f的因子，對玻色子該因子等于1。隨著宇宙膨脹，弱相互作用反應速率迅速下降t5，難以維持中微子與其他粒子的熱平衡。當弱相互作用反應速率γ奇奇小說全網
但是，在中微子退耦后不久，早期宇宙中大量存在的正電子與負電子大量湮滅為光子對，這導致光子氣體溫度的下降在
一段時間內較中微子慢一些。一種簡單的近似處理是考慮此過程中系統的熵：在正負電子對湮滅前，光子、正電子和負電子各有兩個自旋態，而費米子需乘以因子78，因此總有效自由度為gsi2γ2e2e78112
正負電子對湮滅后相應的熵轉移到光子中，自由度為2。總熵在此過程不變，則tf11413ti，最終光子氣體的溫度與中微子氣體溫度之間關系為tv41113tγ
今天宇宙微波背景輻射的溫度為2.725k，因此若中微子為無質量粒子，則其今天的溫度將是1.945k。實際上由于中微子有質量，其溫度還要下降得更低一些。中微子振蕩現象表明中微子質量不為零，但這個質量尚未測出。每種中微子包括正、反粒子今天的數量密度約為112cm3，據此可得今天的中微子相對密度為νσmν93.8h2ev。
中微子退耦的時期也正是大爆炸核合成開始的時期。在這一時期，宇宙中的重子主要以質子和中子的形式存在。此后，質子和中子通過核反應形成氘核，進而繼續反應生成氚3h，氦33he，氦44he等。由于氘的結合能較低，而重子數量遠小于光子，因此氘很容易被大量黑體輻射光子中能量較高的少量光子破壞，因此盡管氘是質子中子直接反應的產物，但最后形成的量并不多，其豐度主要取決于重子數密度，穩定的氦則形成較多，其豐度與重子數密度和膨脹率都有關系。
中微子在這一過程中并不直接發揮重要作用，而是主要影響宇宙的膨脹速度。每種相對論粒子都會貢獻部分宇宙密度，總的密度正比于有效相對論自由度g。在粒子物理標準模型中，有3代中微子。如果考慮存在非標準模型的中微子g10.7574δnν，這里10.75是標準模型給出的大爆炸核合成時期的有效相對論自由度，而δnν，表示超出標準模型的輕中微子的種類，這里“輕”指的是中微子質量遠小于大爆炸核合成時期的溫度0.1mev因而可以被視為極端相對論粒子。給定我們今天觀測到的哈勃膨脹率h0，宇宙密度越大，也就意味著核合成時期的宇宙膨脹率越高。
而宇宙膨脹速率越高，相應地可供反應的時間尺度也越短，這對原初氦豐度的影響是，近似地，δy0.013δnν。因此，根據原初氦豐度，可以限制宇宙中存在的中微子的數量，人們據此推測只存在三種中微子，考慮到實際的中微子退耦過程不是瞬時的，常取標準值nν3.046。不過，氦豐度測量精度有限，氦原初豐度還要從測到的河外電離區氦豐度外插。近年來，氦原初豐度的測量值比過去大，目前的測量值從0.246到0.254都有，其差異大于統計誤差。另外nν與重子數密度存在簡并，也限制了這種方法的精度。從氘和氦豐度，可以得出中微子數量的限制為1.8
實際上，用此方法給出的限制不限于中微子，任何“暗輻射”成分都可以被限制。一個大爆炸時和中微子同時處在熱平衡中的零質量玻色子可等效為470.57個中微子。更早地在正反μ子湮滅之前t100mev退耦的零質量玻色子可等效為0.39個中微子。
整整三個月的時間，龐學林一步都沒有踏出自己的房間。
餓了，自然有人會將食物送進來。
困了，倒頭就睡。
至于洗澡什么的，那是不存在的。
如果說之前，龐學林在研究除數學意外的其他學科時，都帶有某種目的的話，那這一次，他的研究要純粹許多。
他頭一次從基礎物理學的研究中，找到了和研究數學類似的樂趣。
這種通過上帝視角尋找物質本源的過程，讓他感覺到了一種純粹的快樂。
一直到三個月后，龐學林緊閉的房門才倏然打開。
出現在龐學林面前的，除了喬安華外，還有沈淵！
“龐教授，怎么樣了？找到我們需要的東西了嗎？”
喬安華眼睛一眨不眨地盯著龐學林。
龐學林微微一笑，說道：“不辱使命！”
喬安華和沈淵對視一眼，均從對方眼中看出了一絲興奮的表情。
喬安華的興奮在于，中微子領域的研究在停滯了數十年以后，終于又有了突破性的進展。
沈淵的興奮在于，惰性中微子的出現，很有可能讓人類在中微子探測領域取得突破。更新最快奇奇小說
而這種突破，將會為拯救被困地心深處的沈靜提供了基礎。
“阿林，你看你，三個月了，都不打理一下自己，整個人都發臭了，你先去洗個澡，順便把頭發剪一下，到時候咱們再匯合討論！”
沈淵對龐學林道。
龐學林抬起自己的手臂聞了聞，說道：“老師，我好像沒聞到什么臭味啊！”
沈淵哭笑不得道：“你自己能聞到才怪，趕緊去洗洗，洗完再說！”
“哦！”
龐學林笑了笑，直接返回自己的房間。
半小時后，頂著一頭蓬松的頭發的龐學林出現在了高能物理研究所的會議室內。
出席這次會議的，除了喬安華、沈淵外，還有來自高能物理所的另外兩位院士季青青、劉旭以及中科院大亞灣中微子實驗室的主任曹廣云、清華大學理論物理學教授王崇慶。
在會議開始前，龐學林首先將自己過去三個月的成果分享給在座的眾人，然后說道：“大家好，歡迎大家參加這次我們內部的學術報告會，過去三個月，我根據從高能所拿到的過去三十年間的中微子宇宙背景輻射觀測陣列數據，對其進行了細致的分析，最終根據這些數據，我基本上可以判定，在我們的宇宙中，存在第四種惰性中微子。這種中微子，將會成為溫暗物質的有力候選者，同時也對我們宇宙的演化產生了非常重要的影響。”
“接下來，我會向各位展示這種中微子存在的證據。眾所周知，宇宙的早期是輻射為主時期，在今天的宇宙中密度幾乎可以忽略的光子和中微子等極端相對論粒子在輻射為主時期是宇宙密度的主要貢獻者。輻射物質相等發生在紅移約3200時，此后宇宙是物質為主了，但到復合時期紅移約1100，中微子仍對密度有顯著貢獻。”
“如果存在更多的中微子種類，它將影響復合時期的宇宙膨脹速率，并進而影響宇宙在復合時期的年齡、擴散的尺度、聲波視界大小等，這些在宇宙微波背景輻射cmb溫度和偏振各向異性角功率譜中顯現出來，更多中微子數量總的效果是使cmb角功率譜中的所謂衰減尾damingtail移到更大尺度上。綜合哈勃常數測量及b數據，在l的值位于10003000處一度測到了偏大的衰減，給出的有效自由度neff&am;gt;3……”
“但是，目前最新的中微子陣列衛星數據給出的neff很接近3：neff3.130.32，普朗克衛星ttlo;lt;29的偏振數據，bao是指綜合6df，sdss，boss，212與δm322之間的大小關系，使得中微子振蕩的研究，只剩下了一個理論上的c破壞相角δc需要測量。
過去三個月，龐學林在分析中微子輻射觀測衛星陣列的同時，喬安華也沒閑著，他將龐學林的理論計算論文以及惰性中微子的猜想發給了圈內諸多重量級學者，詢問他們的意見和想法。
龐學林的猜想在物理學界引起了廣泛的爭議，有人支持，有人反對。
當然，最終結果，還得看龐學林能不能從宇宙中微子背景輻射觀測衛星陣列的數據中，得到對他有利的證據。
這也是今天這些大佬出席這場報告會的原因。
他們很清楚，一旦龐學林的理論得到證實，那么人類在中微子以及暗物質領域的研究將向前跨越一大步。
而中國物理學界，將會再次迎來一尊諾貝爾物理學獎的獎杯！
“現有的對中微子質量的最精密測量來自大尺度結構巡天。光子與等離子體緊密耦合在一起，形成重子光子流體，而中微子、冷暗物質粒子等相互作用微弱的粒子則可以在其中自由穿行。不過，冷暗物質粒子的運動速度幾乎完全可以忽略，因此主要起的是提供引力勢的作用，而中微子在這一時期仍具有非常高的運動速度，主要展現出擴散性，這導致在kn0.026mvlev12m1.2hmc1以下的小尺度上的功率譜壓低，其程度為δlinklink8vm。利用這一效應，如果能夠精確測量功率譜的形狀，并結合cmb觀測，可以對中微子質量進行限制。通常，可觀測效應主要依賴中微子的總質量σmν，但當σmν較小時，嚴格地說與單個中微子的質量也有關。”
“這里的一個問題是，宇宙中大部分密度漲落來自無法直接觀測的暗物質。我們沒有辦法直接測量物質密度功率譜，而只能通過示蹤物例如星系或星系際介質推測密度功率譜。現代的大尺度結構理論認為，星系及其所處的暗物質暈是在物質密度較高處形成的，其分布的相對密度在較大尺度上正比于物質的相對密度，即δgbδ，這里δgxngxngng，δxx……”
“ng是星系密度，是物質密度，b稱為偏袒因子，在較大的尺度上，對于性質相近的星系，b是一個常數。這樣，星系數密度功率譜為ggkb2k。這個假設在理論上是合理的，也得到了一些觀測的證實各種不同類型星系的功率譜雖然偏袒因子各不相同，但功率譜都有大致相同的形狀。另一個問題是，在與中微子質量測量有關的小尺度上，密度漲落已經歷了一定程度的非線性演化，因此在用觀測進行精密限制時，需要比較觀測數據與不同模型參數的數值模擬結果。”
時間一分一秒過去，不知不覺間，龐學林的報告也進入了尾聲。
“綜合各方面的參數，我們可以得出我們所觀測到的太陽中微子射流質量，要比理論值高出兩個數量級，同時也有諸多天文學觀測數據，也非常符合惰性中微子的理論預期，由此，我們可以確定，惰性中微子確實存在，而且很有可能，就是我們一直在尋找的溫暗物質！”
會議室內安靜了下來，沒人說話。
龐學林淡淡笑道：“大家有什么疑問嗎？”
物理學跟數學還是有不一樣的地方，數學上只要是正確的推理，邏輯上基本上無懈可擊。
物理學的話，不管什么理論，即使非常符合理論，也需要諸多證據相互佐證，直到沒有任何問題后，才會得到物理學界的廣泛認可。
這就好比當初蘇聯物理學家布魯諾龐特克威和弗拉基米爾格利鮑夫在1969年提出的中微子振蕩理論，這種想法最初被提出來時，并沒有得到大多數物理學家的接受。
但是隨著時間的推移，越來越多的證據開始傾向于中微子振蕩的存在。
這種超出了標準模型框架的新物理，才得到了物理學界的認可。
龐學林提出的惰性中微子理論也一樣，即使他已經提出了足夠多的證據，想要得到在座眾人的完全認可，依舊很難。
這時，季青青率先出聲道：“龐教授，不可否認，你的理論以及所提交的證據，都非常具有說服力，但是這里，我有幾個問題。”
“季教授，請說！”
“據我所知，雖然目前宇宙中微子背景輻射觀測陣列衛星功率譜的測量精度已相當高。從中微子振蕩實驗可以知道，中微子中的最大質量至少超過0.04ev，現在的中微子質量限制已接近這一大小。不過，這里的一個問題是，盡管偏袒因子一般可以作為常數，但在較高的精度上這一假設仍有可能失效，偏袒因子如有微小的尺度依賴性，即b不是常數而是bk，就可能導致中微子質量測量的較大誤差。你是如何解決這個問題的？”
龐學林笑了笑，說道：“很簡單，我們可以用幾種不同的方法測量中微子質量，通過對比可以得出中微子衛星觀測陣列數據中誤差大小。例如，隨著宇宙膨脹中微子的熱速度彌散逐漸降低，同時不均勻的物質大尺度結構會引致中微子獲得較大的本動速度這是因為中微子本身質量小、速度彌散大，因此其傳播中感受的引力場平均值與普通的冷暗物質不同，這導致中微子與暗物質間存在相對速度。而這種相對速度的存在，導致中微子密度相關函數或功率譜存在偶極矩。盡管中微子的密度本身無法直接觀測，但中微子和暗物質密度會對不同類型的星系產生不同的影響，因此通過觀測不同類型的星系互相關函數的偶極矩，可以測量上述中微子分布偶極矩。盡管這樣測量的互相關函數也依賴偏袒因子，但偶極矩的大小對偏袒因子并不敏感，從而提供了一種極佳的中微子質量測量手段。此外，非線性的結構如暗物質暈也產生中微子尾跡，這種尾跡也存在偶極矩，未來可以通過弱引力透鏡進行統計觀測。”
季青青沉吟片刻，臉上露出笑容道：“你這想法不錯！”
這時，曹廣云也跟著出聲道：“龐教授，目前較大的巡天包括斯隆數字巡天sdss及其后續的boss，eboss等巡天，以及b數據得到的中微子質量限制95c.l.限制。而且加入引力透鏡效應后限制稍弱但變化不大。在你的這篇論文中，星系引力透鏡數據也可以用于限制功率譜和中微子質量，但目前的星系引力透鏡數據還不精確且其給出的結果與其他觀測數據存在一定沖突，你是如何解決這個問題的？”
龐學林不慌不忙，淡淡笑道：“曹教授，你可以翻到論文第十三頁，可以看到，sdsslrg給出的限制比ν&am;lt;0.11ev95c.l.。除了星系外，當人們觀測高紅移的類星體時，在其光譜中可以看到拉曼a吸收線叢，這是光子在傳播途徑中被不同紅移處的電離星系際介質內含有的少量中性氫吸收形成的，通常稱為拉曼a森林，這反映了星系際介質的分布，提供
了另一種測量有關尺度上物質密度漲落的手段。拉曼a譜線本身處在紫外波段，受地球大氣吸收影響，低紅移的類星體拉曼a吸收線在地面很難觀測，但2.1
會議室再次安靜了下來，過了好一會兒，都沒人說話。
喬安華開口道：“大家都沒什么疑問了嗎？”
眾人均搖了搖頭。
喬安華笑道：“那好，龐教授，我有最后一個問題，不可否認，你這篇論文通過宇宙中微子背景輻射觀測陣列來測量太陽中微子射流質量的方法，得出的數據確實非常符合你的理論模型。但這種辦法畢竟還是一種間接證明法，我想問有沒有更為直接的辦法證明惰性中微子的存在！”
喬安華話音落下，會議室內頓時響起了一陣騷動。
曹廣云笑道：“老喬，你這個問題就有些抬杠了，如果還能找到更加直接的測量方法，那龐教授的惰性中微子理論幾乎就是板上釘釘了……”
喬安華笑了笑，沒出聲。
眾人頓時將目光聚焦到龐學林身上。
龐學林笑著說道：“喬教授，其實這正是我接下來想要說的，過去三個月，我除了整理中微子陣列觀測數據外，也在想還有沒有更好的辦法去證明惰性中微子的存在，而且還真給我找到了。”
“什么辦法？”
龐學林這話一出口，會議室內再次騷動起來。
就連一直沒有說話的沈淵，臉上也流露出了一絲驚容。
龐學林笑道：“不知道大家有沒有聽說過無中微子雙β衰變？”
“無中微子雙β衰變？”
會議室內的眾人臉色一變。
龐學林笑著說道：“大家應該記得泡利1930年為了解釋貝塔衰變連續能譜而糾結地發明了中微子么？原子核中一個中子變為質子的衰變叫β衰變，如果有兩個中子同時變為兩個質子的衰變叫雙β衰變，這個好像并不難理解。可是泡利告訴我們每一個β衰變都應該有一個中微子伴隨而來，因此雙β衰變應當是雙中微子伴隨雙β衰變才對？但是后來，物理學家們卻發現，雖然大部分雙β衰變都出現了一對中微子，但實驗中也存在著無中微子雙β衰變現象。一百多年過去了，這個現象到現在都還沒找到合理的解釋吧？”
龐學林這番話一出口，喬安華、曹廣云、季青青、劉旭等人臉上就流露出了震驚的表情。
喬安華道：“龐教授，你的意思是，所謂的無中微子雙β衰變并非沒有產生中微子，而是產生了一對我們觀測不到的惰性中微子，所以才出現了所謂的無中微子雙β衰變現象？”
龐學林笑著點了點頭，說道：“我們還是從琢磨不透的中微子說起吧。我們知道狄拉克方程是描述費米子的場方程，正電子是狄拉克電子海洋中的帶負能量的空穴。1937年，意大利的天才青年物理學家馬約拉納因為不滿意狄拉克方程中電子和正電子之間的非對稱性，將正、反粒子的場組合成一個同時滿足正、反粒子的對稱性和狄拉克方程的場，對應的粒子就是所謂的馬約拉納費米子，它們是自己的反粒子。馬約拉納在文章中提出，中性的中微子可能就是這種新的馬約拉納費米子。”
“1938年，前途無量的馬約拉納神秘地失蹤，從此沒有人再見過他。中微子到底是狄拉克費米子還是馬約拉納費米子在此之后就成了公案。在普通的β衰變中，不論是狄拉克還是馬約拉納理論電子一定伴隨著反中微子出現，在觀測上沒有區別。1939年，哈佛大學的弗瑞提出可以通過尋找無中微子雙β衰變來對中微子的本質做出判斷，也就是說尋找雙β衰變中僅僅有兩個電子而沒有中微子的末態反應。這種反應的原理就是：一個原子數a電荷數z的原子核一次發生a，za，z2eeveve的反應，由于要求一次性發生這種反應，需要確保中間態原子核a，z1是一個虛態，也就是要求其核質量上比母核a，z要大，第一次β衰變不會發生。而無中微子雙β衰變要求第一個β衰變放出一個虛的中微子在第二個β衰變中被吸收，以至于形成沒有中微子的雙貝塔末態，這種反應只有中微子是馬約拉納粒子才可能發生。符合這樣條件的天然原子核有三十多種。有趣的是，早期預言的無中微子雙β衰變比普通雙β衰變更容易發生，其半衰期在1015年左右。”
“但現在，我想我們有了更為合理的解釋，雙β衰變中，所謂第一個β衰變，放出一個虛的中微子在第二個β衰變中被吸收，我們不如說第一個β衰變中產生了一個惰性中微子，在第二次β衰變中這種惰性中微子轉化成另一種中微子，被第二次β衰變吸收了，所以才沒有形成中微子的雙β末態。至于實驗證明的話，我想這個難度不大吧？！”
喬安華笑道：“這沒什么難度，我手下一個博士生都能做！”
曹廣云起身道：“老喬，那還等什么，我們現在就去實驗室！”
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