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章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子

admin 2019-10-29 167人围观 ,发现0个评论

中微子仅次于光子作为宇宙第二丰富的粒子,也是宇宙大爆炸时遗留下来的古老遗迹,除了微波背景辐射,宇宙标准模型最后一个未经验证的预言就是中微子背景,那么中微子在宇宙早期是怎样产生的?它们如何能大量的保存下来?我们为什么探测不到中微子背景?下面我就从宇宙的起源说起。

中微子是怎样是正反物质湮灭中大量存活的

宇宙源于大爆炸,那大爆炸这个想法是咋来的?其实是一个很简单的推理,自从哈勃说我们这个宇宙不是章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子恒定不变的,星光在红移空间在膨胀,绝大多数星系正在远离我们,而且离我们越远的星系推行的速度越快。

还不止这些,当你看到一个遥远星系的时候,因为光速是有限的,所以你看到的是遥远的过去。那么把时间倒过来,宇宙在过去肯定体积更小、密度更大、温度也更高,这就有了大爆炸的想法,大爆炸并不是字面上的意思,并没有什么东西真的爆炸了,其实说的是热膨胀状态,意指宇宙的膨胀。

我们继续让时间倒流,宇宙的密度和温度会持续增加,在宇宙38万年的时候,温度降低到了中性原子可以稳定形成的时候,这时宇宙发出的第一缕光就是我们常说的微波背景辐射,在这之前由于温度较高辐射能量可以将中性原子电离,这时的宇宙就是一片等离子体的海洋,充满了原子核、电子和辐射。如果再往前追溯,宇宙温度会持续增加,原子核都无法在这种高温下稳定的结合在一起,因为一个能量足够高的光子会把原子核炸开形成自由的质子和中子。下图:

这个时期形成的原子核就是宇宙最终的初始原子,但只有8%的质子和中子形成了氦-4,其余的都是单个质子也就是氢核。

但是再往前追溯,我们会发现宇宙中的能量高到光子会自发的形成形成粒子-反粒子对。

其中包括所有的夸克/反夸克对章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子,所有的轻子/反轻子对,所有的胶子、光子和弱玻色子,以及任何迄今尚未发现的粒子。当整个可观测的宇宙被压缩到一个直径小于一光年的空间时,这些粒子/反粒子对就会大量存在,在近似平衡状态下自发地产生和湮灭。

上图可以看到宇宙的这种稠密高温状态不会持续很长时间。随着宇宙的膨胀和冷却,这时的能量再想制造新的粒子-反粒子对会变得越来越困难,而已经存在的正反粒子对将继续湮灭成光子。但是随着空间膨胀的越来越大,由于正反粒子的密度被稀释,粒子很难找到对章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子方,所以湮灭的速度就大幅降低。在同样的密度下,粒子之间发生相互作用的几率取决于粒子的反应横截面,俗称大小。

所以正反粒子湮灭的几率也取决于粒子本身的反应截面,反应截面太小没有来得及湮灭的粒子就会被永久的“冻结”(冷却,损失能量),只要这些粒子能够保持稳定,不会衰变,那么它们就会一直被“保存”到今天。

我们目前知道有三种这样的粒章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子子及其反粒子有这样的本事大量存活:中微子!

宇宙中微子背景

中微子有三种口味来匹配三种带电轻子:电子、子和子,这三种中微子是已知的最轻、质量最低的非零质量粒子。最重中微子的质量上限仍然比第二轻的电子轻了400多万倍。

中微子的反应截面依赖于自身的能量,在较低的能量下反应截面会变得非常小。到宇宙诞生大约一秒钟的时候,中微子和反中微子由于能量降低就停止相互作用,随着宇宙的膨胀,它们继续失去能量并冷却了下来。上文我们说到中性原子形成以后,光子就会自由的传播,这就是宇宙微波背景的来源。

但是中微子和光子略有不同。宇宙微波背景(CMB)的光子有一个类似于上图的能量谱,其峰值温度为2.725开尔文。

宇宙中微子背景的温度应该稍微低一点,估计为1.96开尔文,最重要的区别是:与光子不同,中微子有质量!

中微子的质量虽小,但比遗留下来的热能要大的多。根据中微子的质量,它们现在的移动速度应该不超过每秒几千公里,可能只有每秒几百公里。

中微子的质量和能量告诉我们,它们已经充满了包括银河系在内的所有大尺度结构中。只占暗物质总量的一小部分大约为0.3%。

目前我们还不知道怎样大量有效的探测这些中微子。

为什么无法大量的探测到中微子

我们现在可以探测到少量的中微子,但只有中微子总量的10亿分之一。由于中微子现在的能量导致其反应横截面非常小,又不参与电磁相互作用和强相互作用,只与弱相互作用和引力互动,由于弱相互作用是一种短程力,比原子核的半径还要小,而中微子的截面想撞上原子核就像,八百里开外想打一直苍蝇,所以在中微子面前所有东西都是透明的。

探测中微子背景辐射是关于大爆炸最后一个未经验证的伟大预言,尽管每立方厘米的空间中有数百个中微子和反中微子,尽管中微子以每秒数百公里的速度快速在移动,但是中微子能与正常物质发生的唯一相互作用是核反冲,也就是上文所说的撞击原子核。这种几率也不足以我们大量的探测中微子背景辐射。

总结:中微子的其他问题

还有一些关于中微子的问题,我们很长一段时间认为中微子具有左手态,也就是说,它们的自旋总是和动量方向相反,或自旋-。反中微子具有右手态,自旋总是指向与动量相同的方向或自旋+。而我们所知道的所有其他半整数自旋粒子都有自旋版本,无论是物质和反物质。

但中微子不行。这就引发了人们的猜测,即中微子实际上seed可能是它们自己的反粒子,被称为马约拉纳(Majorana)中微子。如果中微子是自己的反粒子,那么就会有一种特殊类型的双衰变,但目前还没有检测到。

这就是宇宙大爆炸留下的10^90个中微子和反中微子,中微子的特殊性质使它们成为宇宙中仅次于光子,第二丰富的粒子。宇宙中每一个质子对应了超过10亿个中微子。但是这些遗留下来的中微子,构成的宇宙中微子背景(CNB),我们完全探章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子测不到。这也是最后一个未经证实的关于大爆炸的伟大预言:宇宙中微子背章鱼娱乐安卓下载安装-世界中微子布景是什么?中微子为什么是第二丰厚的粒子景!

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