宇宙中微子背景輻射
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宇宙中微子背景輻射是由大爆炸產生的中微子構成的背景輻射。與宇宙微波背景輻射類似,它們都是大爆炸的餘暉。這些中微子有時又稱作“殘留中微子”。
宇宙微波背景輻射始于宇宙誕生后379,000年,而宇宙中微子背景輻射則起始于宇宙誕生后2秒鐘。据估計,宇宙中微子背景輻射的溫度大概為K;每立方釐米宇宙空間就有大約300個殘留中微子存在, 1.95 [1][2]但因爲低能量中微子和正常物質僅有極其微弱的相互作用,宇宙中微子背景輻射極難檢測,也許永遠無法直接觀測。但是有大量間接證據表明,宇宙中微子背景輻射的確存在。
估計宇宙中微子背景輻射的溫度
[编辑]宇宙微波背景輻射的溫度已經由實驗測定。宇宙中微子背景輻射的溫度可以通過理論估計。在中微子同其他物質解耦之前,宇宙主要由中微子、電子、正電子和光子構成,並處於熱平衡狀態。當溫度降低到大約MeV時, 2.5 中微子同其他物質發生分離。這時中微子和光子還處在同一溫度。當溫度進一步下降到電子的質量時,絕大多數電子和正電子發生湮滅,釋放出巨大的能量。光子在吸收了這些能量和熵后溫度升高。如果我們假設宇宙的熵在電子-正電子湮滅後保持不變,那麽光子在電子-正電子湮滅之前和之後的溫度比就是今天光子和中微子的溫度比。因為
- ,
- ,
T0和T1分別代表電子-正電子湮滅前、後的溫度。電子-正電子湮滅后的宇宙溫度,即宇宙微波背景輻射的溫度。g0由粒子本身決定:[3]
- 光子:g0=2,因爲它們是玻色子。
- 電子:g0=2;正電子:g0=7/8。它們都是費米子。
對光子來説,g1=2。所以
宇宙微波背景輻射的溫度Tγ等於K。 2.725 [4]所以我們得出宇宙中微子背景輻射的溫度Tν約等於K。 1.95
上述討論僅適用於零靜止質量的中微子。
宇宙中微子背景輻射存在的間接證據
[编辑]標准模型的預測和實際觀測
[编辑]現在發現中微子有三種不同“味”:電子中微子(符號為)、μ中微子(符號為)和τ中微子(符號為)。標準模型理論預言有效中微子類型數量為Nν ≃ 。 3.046[5] 因爲Nν決定了太初核合成中某些輕元素的丰度,這個量可以用實驗決定。通過對宇宙中核素4
He
和2
D
的觀測得出Nν = +0.70
−0.65(置信區間=68%)。 3.14[6] 這個結果同標準模型得到的理論值相當接近。
宇宙微波背景輻射與中微子背景輻射的相互作用
[编辑]宇宙微波背景輻射與中微子背景輻射存在微妙的相互作用。因此,通過觀測宇宙微波背景輻射,亦可得到有效中微子類型數量Nν。這為標準理論的預測提供了一個極佳的第三方佐證。通過分析威尔金森微波各向异性探测器五年來的數據、Ia型超新星積累的數據以及對重子聲學震蕩的研究得出Nν = +0.88
−0.86(置信區間=68%)。 4.34[7]更靈敏的普朗克探測器有可能會在此基礎上將誤差降低一個量級。[8]
参考资料
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