中微子能包含多少暗物质？

　　虽然暗物质网(紫色)似乎可以自己决定宇宙结构的形成，但来自正常物质的反馈(红色)可以严重影响星系尺度。暗物质和正常物质的比例正确，才能解释我们所观察到的宇宙。中微子无处不在，但标准的轻中微子不能占暗物质的大部分(甚至一个重要的部分)。
　　在整个宇宙中，我们能看到的远不止这些。当我们看到星系内的恒星在运动，星系群和星系团在运动，或者构成宇宙网的最大结构在运动，所有的一切都在讲述同样令人不安的故事:我们没有看到足够的物质来解释所发生的引力效应。除了恒星、气体、等离子体、尘埃、黑洞等，肯定还有其他东西在那里产生额外的引力效应。
　　传统上，我们称这种物质为暗物质，我们绝对需要它来解释整个宇宙的所有观测结果。虽然它不能由普通物质组成——由质子、中子和电子组成的东西——但我们确实有一个已知的粒子，它可能具有正确的行为:中微子。让我们来看看暗物质中微子可能有多少。
　　中微子首次提出是在1930年，但直到1956年才从核反应堆中检测到。在那之后的几十年里，我们已经探测到来自太阳、宇宙射线甚至超新星的中微子。这里，我们看到了自20世纪60年代以来在Homestake金矿进行的太阳中微子实验中使用的坦克的构造。
　　乍一看，中微子是完美的暗物质候选者。它们几乎不与正常物质相互作用，既不吸收也不发射光，这意味着它们不会产生能被望远镜捕捉到的可观测信号。与此同时，由于它们通过弱力相互作用，宇宙在大爆炸极早、极热的阶段不可避免地产生了大量的中微子。
　　我们知道宇宙大爆炸中有剩余的光子，最近我们还发现了间接的证据表明也有剩余的中微子。与无质量的光子不同，中微子可能有非零质量。如果根据存在的中微子(和反中微子)的总数，它们的质量有一个正确的值，那么它们就可以占到暗物质的100%。
　　那么有多少中微子呢?这取决于中微子的类型(或种类)的数量。
　　虽然我们可以用设计成捕捉中微子与物质之间罕见互动的巨大容器来直接探测中微子，但这不仅效率极低，而且只能捕捉到其中的一小部分。我们可以看到中微子是粒子加速器、核反应堆、太阳聚变反应以及宇宙射线与地球和大气相互作用的结果。我们可以测量它们的性质，包括它们如何相互转化，但不能测量中微子的总数。
　　在这幅图中，中微子与冰分子发生了相互作用，产生了一种次级粒子——介子——它在冰中以相对论速度运动，并在其身后留下一道蓝光。直接探测中微子是一项艰巨而又成功的工作，我们仍在试图弄清它们的全部性质。
　　但是有一种方法可以从粒子物理学中得到关键的测量值，它来自一个意想不到的地方:z玻色子的衰变。z -玻色子是中性玻色子，它介导弱相互作用，使某些类型的弱衰变成为可能。Z对夸克和轻子都有作用，当你在对撞机实验中产生一个时，有可能它会衰变成两个中微子。
　　这些中微子将是不可见的!我们通常无法在对撞机中探测到我们从粒子衰变中产生的中微子，因为需要一个中子星密度的探测器才能捕捉到它们。但是通过测量衰变产生＂看不见的＂信号的百分比，我们可以推断出有多少种光中微子(其质量小于z -玻色子质量的一半)。几十年来，这是一个引人注目且毫不含糊的结果:有三个。
　　该图显示了标准模型的结构，说明了关键关系和模式。特别是，这张图描述了标准模型中的所有粒子，希格斯玻色子的作用，电弱对称性破坏的结构，说明了希格斯真空期望值是如何破坏电弱对称性的，以及剩余粒子的性质是如何变化的。请注意，z -玻色子同时与夸克和轻子配对，并且可以通过中微子通道衰变。
　　回到暗物质，我们可以根据我们看到的所有不同的信号，计算出需要多少额外的暗物质才能给我们足够的引力。我们知道如何打扮自己，包括:从碰撞的星系团，从x射线发射团簇中移动的星系，从宇宙微波背景的起伏，从宇宙大尺度结构中发现的模式来看，从单个星系内恒星和气体的内部运动来看
　　我们发现，我们需要大约五倍于正常物质的丰度才能以暗物质的形式存在。暗物质对于现代宇宙学来说是一个巨大的成功，仅仅通过添加一种成分来解决一个谜题，一系列其他的观测谜题也被解决了。
　　四个相互碰撞的星系团，显示x射线(粉红色)和引力(蓝色)之间的分离，表明暗物质存在。在大尺度上，冷暗物质是必要的，没有任何替代品。x射线:NASA科学家/ UVIC. /。马达维等。光学/透镜:昌UVIC. / A。MAHDAVI等人(左上角);x射线:NASA科学家/ UCDAVIS / W。道森ET AL。光学:NASA/ STSCI/UCDAVIS/ W。道森等人(右上);ESA / xmm -牛顿/ F。GASTALDELLO (INAF/ IASF，意大利米兰)/CFHTLS(左下角);x射线:NASA、ESA、CXC、M. BRADAC(加州大学圣巴巴拉分校)和S. ALLEN(斯坦福大学)(右下角)
　　如果你有三种光中微子，那么只需要相对较小的质量就可以解释所有的暗物质:每一个中微子只需要几电子伏特(约3或4 eV)就可以了。在标准模型中发现的除中微子外最轻的粒子是电子，它的质量约为511kev，是我们想要的中微子质量的数十万倍。
　　不幸的是，拥有这么大质量的轻中微子有两个大问题。当我们仔细观察时，大质量中微子的概念不足以构成100%的暗物质。
　　一个遥远的类星体将有一个大的撞击(在右边)来自它的氢原子的莱曼级数跃迁。在左边，出现了一系列被称为森林的线条。这些下降是由于中间气体云的吸收造成的，而下降的强度确实限制了暗物质的温度。不可能是热的。劳赫，阿拉诉36、1、267 (1998)
　　第一个问题是中微子，如果它们是暗物质，将是热暗物质的一种形式。你可能以前听过＂冷暗物质＂这个词，它的意思是，与早期的光速相比，暗物质的运动速度一定很慢。
　　为什么?
　　如果暗物质是热的，并且移动得很快，它就会很容易地从小型结构中流出，从而阻止引力的增长。事实上，我们如此早地形成恒星、星系和星系团就排除了这种可能性。事实上，我们看到微弱的透镜信号，我们排除了这种可能性。事实上，我们在宇宙微波背景中看到的波动模式排除了这种可能性。和直接测量的气云在宇宙早期,通过一种技术称为Lyman-α森林,明确排除其可能性。暗物质不可能是热的。
　　在宇宙中形成的暗物质结构(左)和由此产生的可见星系结构(右)是在一个冷、热、热的暗物质宇宙中自上而下显示的。根据我们的观察，至少98%以上的暗物质是冷的。
　　许多合作已经测量了一种中微子到另一种中微子的振荡，这使我们能够推断出不同类型中微子之间的质量差异。自20世纪90年代以来，我们已经能够推断出两个物种之间的质量差异约为0.05 eV，而另一个物种之间的质量差异约为0.009 eV。对电子中微子质量的直接限制来自于氚衰变实验，实验表明电子中微子的质量必须小于2ev左右。
　　沿着探测器壁上的光电倍增管排列的切伦科夫辐射环可以识别中微子事件，它展示了中微子天文学的成功方法。这张图片展示了多个事件，是一系列实验的一部分，为我们更好地理解中微子铺平了道路。
　　除此之外，宇宙微波背景(来自普朗克)和大规模结构数据(来自斯隆数字巡天)告诉我们，所有中微子质量的总和最多为0.1 eV，因为太多的热暗物质肯定会影响这些信号。从我们所拥有的最好的数据看来，已知中微子的质量值非常接近中微子振荡数据所暗示的最低值。
　　换句话说，只有一小部分暗物质可以以光中微子的形式存在。鉴于我们今天所受到的限制，我们可以得出这样的结论:大约0.5%到1.5%的暗物质是由中微子组成的。这不是无关紧要的;宇宙中光中微子的质量和宇宙中所有恒星的质量差不多。但是它们的引力效应是最小的，并且它们不能构成所需的暗物质。
　　萨德伯里中微子天文台，在展示中微子振荡和中微子的质量方面发挥了重要作用。根据大气、太阳、陆地天文台和实验的额外结果，我们可能无法解释我们仅用3个标准模型中微子观测到的全部结果，而一个无菌中微子作为冷暗物质候选体仍然是非常有趣的。麦克唐纳(皇后大学)等人，萨德伯里中微子天文台研究所
　　然而，有一种奇特的可能性，这意味着我们仍然有机会让中微子在暗物质世界中引起轰动:有可能存在一种新的、额外类型的中微子。当然，我们必须符合我们已有的粒子物理学和宇宙学的所有约束条件，但有一种方法可以做到这一点:要求如果有一个新的、额外的中微子，它是无菌的。
　　一个不育的中微子与它的性别或繁殖能力无关;这仅仅意味着它不会通过传统的弱相互作用相互作用，而且z -玻色子不会和它结合。但是，如果中微子可以在传统的活跃型和较重的无菌型之间振荡，它不仅可以表现得像冷的，而且可以构成100%的暗物质。已经完成的实验，如LSND和MiniBooNe，以及计划或正在进行的实验，如MicroBooNe、PROSPECT、ICARUS和SBND，都高度暗示无菌中微子是我们宇宙中真实而重要的一部分。
　　费米实验室微型布恩实验方案。一束高强度的加速质子束被聚焦在一个目标上，产生的介子主要衰变为介子和介子中微子。由此产生的中微子束由微型布恩探测器表征。
　　如果我们只局限于标准模型，我们就无法解释宇宙中一定存在的暗物质。我们所知道的所有粒子都没有正确的行为来解释所有的观测结果。我们可以想象一个中微子质量相对较大的宇宙，这将导致一个含有大量暗物质的宇宙。唯一的问题是暗物质是热的，它会导致一个与我们今天看到的宇宙明显不同的宇宙。
　　尽管如此，我们所知道的中微子确实表现得像暗物质，尽管它只占暗物质总量的1%。这并不是完全无关紧要的;它等于宇宙中所有恒星的质量!最令人兴奋的是，如果真的有一种不育的中微子存在，那么接下来几年的一系列实验应该会揭示它。暗物质可能是最大的谜团之一，但多亏了中微子，我们至少有机会对它有一点了解。