近日，原子能院核物理研究所團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的“超新星中微子測(cè)量判定中微子質(zhì)量順序的方法”研究取得重要進(jìn)展，其成果發(fā)表在國(guó)際知名期刊美國(guó)天體物理學(xué)雜志《The Astrophysical Journal》(《天體物理學(xué)報(bào)》)上。該研究提出，可以聯(lián)合核心塌縮型超新星中微子、引力波和電磁光譜的多信使觀測(cè)，將原先的中子星質(zhì)量作為橋梁，來(lái)確定中微子的質(zhì)量順序。這一成果對(duì)揭示中微子的基本性質(zhì)、探索超新星的爆發(fā)機(jī)制以及中微子對(duì)核合成的影響具有重要意義。 文章的通訊作者和第一作者分別為核物理研究所李志宏研究員和李歌星副研究員。

中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的基本粒子之一，其不參與電磁和強(qiáng)相互作用，與物質(zhì)之間的作用通常非常微弱，可以輕松貫穿太陽(yáng)和地球，由于極難被探測(cè)到，又被稱為“幽靈粒子”。目前已知的中微子種類包括電子中微子、繆子中微子和陶子中微子，以及它們的反粒子。研究發(fā)現(xiàn)，這三種中微子在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化被稱為中微子振蕩。目前學(xué)界仍不清楚三種中微子的質(zhì)量順序，這個(gè)被稱為“質(zhì)量排序”的難題，是國(guó)際粒子物理研究的熱點(diǎn)，它不僅關(guān)系到中微子本身的性質(zhì)，還有助于理解中微子的質(zhì)量起源，對(duì)揭開(kāi)宇宙原初的反物質(zhì)消失之謎具有重要意義。

為研究“質(zhì)量排序”難題，原子能院物理所團(tuán)隊(duì)選擇根據(jù)核心塌縮型超新星輻射中微子的特征，來(lái)推斷中微子的質(zhì)量順序。核心塌縮型超新星是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)由內(nèi)部塌縮引發(fā)劇烈爆炸的結(jié)果，伴隨著恒星的爆炸，它還將向外發(fā)射極強(qiáng)的中微子沖擊波，其在爆發(fā)最初的10秒內(nèi)將發(fā)射大約1058個(gè)中微子。中微子在向外傳播的過(guò)程中，各類中微子的數(shù)量和能量分布會(huì)發(fā)生變化，而這一變化與中微子的質(zhì)量順序密切相關(guān)。這就是能夠通過(guò)超新星中微子的測(cè)量來(lái)確定中微子質(zhì)量順序的關(guān)鍵。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，中微子質(zhì)量可能存在的正反兩種順序

正反中微子質(zhì)量順序下，每秒探測(cè)到的超新星中微子個(gè)數(shù)及其差別

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在超新星爆發(fā)的最初1秒內(nèi)，中微子質(zhì)量順序會(huì)影響中微子振蕩過(guò)程中轉(zhuǎn)化為電子型反中微子的概率。這導(dǎo)致地球上的超新星中微子信號(hào)與中微子質(zhì)量順序、原中子星的質(zhì)量之間存在密切關(guān)聯(lián)，因此可以通過(guò)超新星中微子信號(hào)的時(shí)間序列，來(lái)推測(cè)不同中微子質(zhì)量順序下原中子星的質(zhì)量。由于原中子星的質(zhì)量可通過(guò)天文學(xué)手段進(jìn)行較精準(zhǔn)的測(cè)量，因此將反推出的質(zhì)量與測(cè)量結(jié)果對(duì)比，就可以確定中微子的質(zhì)量順序。這一成果為將來(lái)中微子大科學(xué)裝置的建設(shè)，以及超新星中微子的測(cè)量提出了指導(dǎo)性的建議。

該項(xiàng)研究工作獲得了國(guó)家基金委青年項(xiàng)目、財(cái)政部穩(wěn)定支持等項(xiàng)目的資助。