暗物質暈附近的中微子由于錢德拉塞卡動力學粘滯效應會形成一個不對稱的分布,這個現象稱為中微子尾波。近日,中國科學院國家天文臺博士朱弘明、研究員陳學雷等人發現,通過觀測尾波,中微子的等級問題(hierarchy problem)以及手征性(chirality)問題可能得以解決。該工作發表在國際物理期刊《物理評論快報》上(Phys. Rev. Lett. 116, 141301(2016))。PRL審稿人給予高度評價:“This new idea can clearly give rise to new developments in the field of large-scale structure.
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宇宙大爆炸產生的中微子隨著宇宙溫度下降而退耦(decouple),形成了所謂的宇宙中微子背景(cosmic neutrino background)。通過計算,可知現在宇宙中每立方厘米約有112個中微子。1998年實驗發現了中微子振蕩現象,此發現表明中微子是具有質量的粒子,因此隨著宇宙演化,會逐漸由相對論性粒子變成非相對論性粒子,從而會對宇宙大尺度結構的形成產生影響。通過觀測中微子在宇宙大尺度結構上留下的痕跡,可以限制中微子的質量。
該研究團隊發現,宇宙中的暗暈會在宇宙中微子背景中流動,從而會拖曳暗暈附近的中微子,使得中微子在暗暈附近形成一個不對稱的分布,偏離了原本均勻的空間分布。中微子在暗暈運動方向前方的密度會低于在暗暈運動方向后方的密度。這個效應與水流會在航行中的船后方會聚效應類似,稱為尾波效應。中微子尾波可由星系-星系引力透鏡(galaxy-galaxy lensing)進行觀測,通過測量尾波信號強度的大小,可以測得中微子的質量。未來21cm透鏡巡天很有可能得以解決中微子的等級問題。另外,若中微子為Dirac粒子,而非Majorana粒子,則宇宙中還會有右手中微子的存在。由于不同的相互作用,右手中微子的退耦溫度會與左手中微子不同,那么在每個暗暈附近,除了左手中微子產生的尾波,還將有右手中微子產生的尾波,同樣可以用引力透鏡進行觀測。未來的21cm透鏡巡天有可能測到該信號,如果可以測量到右手中微子的信號,將對現代物理學有極為重要的意義。總之,宇宙中微子的尾波效應為未來中微子的研究提供了一個全新的方向。