一项最新研究检验了“中微子质量源自超轻暗物质”的理论。
中微子是已知最奇特的粒子之一，其质量极其微小，以至于每秒有数万亿个中微子悄无声息地穿过你的身体。然而，尽管难以察觉，它们却携带着一个令物理学家彻夜难眠的谜团 —— 它们那微小到几乎无法察觉的质量究竟从何而来？
此前，一个引人入胜的理论提出，中微子通过与超轻暗物质的相互作用获得了其微小质量。在最近的一项研究中，研究人员利用真实世界的数据对这一观点进行了检验。他们的发现表明，中微子质量的暗物质起源理论很可能并非正确答案。
“我们的结论是，如所提出的那样，中微子与标量暗物质的相互作用，不太可能是中微子质量生成的主导机制，”该研究的作者指出。
这一结论进一步加深了中微子之谜。现在，中微子质量更有可能源自常规物理学，或者可能与暗物质完全无关的新物理。
检验暗物质相互作用理论
研究人员从一个简单的理论开始研究。如果中微子通过与一种由极轻粒子（轻于10电子伏特，一个电子质量约为511,000电子伏特）构成的暗物质相互作用而获得质量，情况会怎样？这些轻粒子（很可能是玻色子）可以像在空间中振荡的柔和波一样，影响经过的中微子的行为。
为了验证这一点，研究人员构建了一个理论框架，解释了如果中微子确实与这种超轻暗物质相互作用，它们会如何表现。根据他们的模型，暗物质场会以两种主要方式影响中微子。
第一是基于时间的变化：暗物质场的行为像缓慢移动的波，会随着时间的推移引起中微子质量的微小变化。这取决于波的频率，而频率又与暗物质粒子的质量相关。
第二是基于空间的影响：地球上中微子探测器的位置、太阳的位置以及地球在太空中的运动，都会影响中微子如何与振荡的暗物质场相互作用。
研究人员解释说，这些因素会轻微改变中微子从一种类型振荡转变为另一种类型的概率（例如，从电子中微子转变为缪子中微子）。随后，他们将模型的预测结果与日本KamLAND实验的真实数据进行了比较。KamLAND是一个中微子探测器，多年来收集了来自自然和人造源的精确测量数据。
通过运行模拟并将理论信号与KamLAND的观测结果进行对比，研究团队寻找任何与受暗物质影响的质量起源所预期的模式相匹配的迹象。他们还使用了其他中微子实验的数据进行了交叉验证，包括测量太阳中微子的实验以及短基线和长基线振荡实验（即在不同距离上追踪中微子的实验）。
“我们开发了一个框架，其中中微子质量的微小性源于它们与暗物质领域的相互作用，然后我们严格测试了是否可以利用现有的中微子数据（包括短基线和长基线中微子振荡实验以及太阳中微子测量）检测到这种联系，”该研究的作者之一卢卡·维西内利（Luca Visinelli）说。
他补充道：“我们的结果表明，当前的数据并不支持这种中微子质量的暗物质领域起源。”
我们走到死胡同了吗？
先前将中微子质量与暗物质联系起来的理论曾让科学家们寄予希望：发现超轻暗物质或许也能解开中微子质量之谜。然而，当前研究的发现排除了这一想法，并表明如果这种相互作用存在，它们应该已经在振荡数据中留下了可探测的“指纹”，但事实并非如此。
这让研究回到了原点。科学家们现在依然不知道到底是什么赋予了中微子质量。然而，虽然这看起来像是走进了死胡同，但实际上是一个重大的进步。
通过排除一个流行的理论，这项研究帮助科学家缩小了可能性范围，并将注意力集中在更有希望的路径上 —— 这些路径可能涉及标准模型之外但与暗物质无关的新粒子或新作用力。
此外，随着中国江门中微子实验（JUNO）和美国深层地下中微子实验（DUNE）等即将进行的实验有望提供更精确的中微子数据，研究人员计划重新审视并改进他们的模型，以测试其他微妙的影响。他们也在探索类似的暗物质领域相互作用可能如何影响其他系统，例如原子钟或量子传感器。
该研究已发表在《物理评论快报》期刊上。
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