日前，東北大學(xué)理學(xué)院教授張鑫與北京大學(xué)高能物理研究中心博士后張玨合作，在“宇宙遺跡中微子的引力結(jié)團(tuán)效應(yīng)”研究中取得重要進(jìn)展：在N單體模擬中發(fā)展了一種重要的計(jì)算方法——重加權(quán)方法，使得只利用一次模擬即可得到不同中微子質(zhì)量和相空間分布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(jié)團(tuán)。這是中國高?？蒲泄ぷ髡咴谑澜缈茖W(xué)最前沿的中微子研究領(lǐng)域取得的又一次巨大進(jìn)步。這一研究能夠了解來自嬰兒宇宙的信使——遺跡中微子，如何在銀河系中聚集，而這關(guān)系到人們對(duì)宇宙的認(rèn)知能否推進(jìn)至宇宙誕生后僅1秒的時(shí)期。
5月9日，該項(xiàng)成果在《自然》雜志的子刊《自然·通訊》上發(fā)表。
關(guān)于中微子的研究，一直是科學(xué)研究的最前沿。迄今為止與中微子直接相關(guān)的科學(xué)研究已經(jīng)獲得了四次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子之一，滿足費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律，被歸到費(fèi)米子大類中，是一種自旋為1/2的費(fèi)米子。它不帶電，質(zhì)量非常輕，以接近光速運(yùn)動(dòng)，與其他基本粒子之間的相互作用十分微弱，被稱為宇宙中的“隱身人”。
中微子是解開諸多宇宙之謎的關(guān)鍵，宇宙誕生時(shí)產(chǎn)生的“背景中微子”也被稱為宇宙遺跡中微子，攜帶著早期宇宙的信息，是宇宙極早期的信使。據(jù)標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型預(yù)言，在宇宙極早期，溫度非常高密度非常大，所有的粒子都頻繁碰撞，但隨著宇宙溫度的降低，在宇宙誕生后1秒左右，由于中微子只參與弱相互作用，碰撞截面非常小，就不再與其他粒子碰撞獨(dú)自演化。這些最古老的中微子是宇宙大爆炸的遺跡之一，形成了宇宙演化中的一個(gè)背景，成為人們探索極早期宇宙的最佳線索。
“如果能夠十分精確地觀測(cè)‘背景中微子’，就可直接探測(cè)到宇宙誕生1秒的時(shí)刻，能夠從中抽取很多早期宇宙的物理信息。這對(duì)于我們理解早期宇宙非常重要。”張鑫告訴記者，我們現(xiàn)在通過宇宙微波背景的觀測(cè)，已經(jīng)了解到宇宙年齡為38萬年時(shí)的很多信息，更早期的信息就要靠“背景中微子”和“原初引力波”的發(fā)現(xiàn)。
宇宙遺跡中微子的實(shí)驗(yàn)探測(cè)，是基礎(chǔ)物理中的重要課題，意義重大。目前，中國在中微子研究方面水平很高，中科院高能所領(lǐng)導(dǎo)的大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目取得了舉世矚目的成果，曾獲得國際大獎(jiǎng)——基礎(chǔ)物理突破獎(jiǎng)，并獲得國家自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn)了一種新的中微子振蕩模式的存在。在中微子理論方面，我國科學(xué)家也取得了喜人的成果。此次張鑫和張玨的研究，將對(duì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生直接影響，關(guān)系到能否捕獲遺跡中微子這個(gè)“古老隱身人”。
“這項(xiàng)工作需要采用一種天文學(xué)數(shù)值模擬方法——N體模擬來完成。”張鑫說，研究最初需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，雖然人們找到了N體模擬這種更簡單的辦法，但仍然耗時(shí)較多，我們找到的這個(gè)計(jì)算方法是個(gè)捷徑，可以只通過一次模擬，就得到各種不同情況下的結(jié)果，在幾分鐘之內(nèi)即獲得原本需要數(shù)周時(shí)間計(jì)算所得到的結(jié)果，這將在未來的宇宙中微子背景探測(cè)實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)的唯象研究中發(fā)揮重要作用。
利用該方法，張鑫與張玨發(fā)現(xiàn)，在地球附近，中微子密度差幾乎正比于中微子質(zhì)量的平方。這將為即將開展的“托勒密”宇宙中微子背景的探測(cè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，提供關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，預(yù)測(cè)實(shí)際的遺跡中微子俘獲率。
