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)。這是中國高校科研工作者在世界科學(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)系到人們對宇宙的認(rèn)知能否推進(jìn)至宇宙誕生后僅1秒的時期。

遺跡中微子在銀河系中的運動軌跡。東北大學(xué)供圖

5月9日，該項成果在《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。中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界最基本的粒子之一，滿足費米-狄拉克統(tǒng)計規(guī)律，被歸到費米子大類中，是一種自旋為1/2的費米子。它不帶電，質(zhì)量非常輕，以接近光速運動，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‘背景中微子’，就可直接探測到宇宙誕生1秒的時刻，能夠從中抽取很多早期宇宙的物理信息。這對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，已經(jīng)了解到宇宙年齡為38萬年時的很多信息，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驗探測，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)的大亞灣中微子實驗項目取得了舉世矚目的成果，曾獲得國際大獎——基礎(chǔ)物理突破獎，并獲得國家自然科學(xué)一等獎。大亞灣中微子實驗首次發(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，將對探測實驗產(chǎn)生直接影響，關(guān)系到能否捕獲遺跡中微子這個“古老隱身人”。

“這項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，研究最初需要耗費大量的計算資源，雖然人們找到了N體模擬這種更簡單的辦法，但仍然耗時較多，我們找到的這個計算方法是個捷徑，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)周時間計算所得到的結(jié)果，這將在未來的宇宙中微子背景探測實驗以及相關(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實驗計劃，提供關(guān)鍵的指導(dǎo)作用，預(yù)測實際的遺跡中微子俘獲率。