用宇宙微波背景辐射探测中微子物理

Detection of neutrino oscillations has proved that neutrinos have mass. However, in the framework of the standard model of particle physics neutrinos are massless. Explaining neutrino oscillations requires the existence of new physics beyond the standard model. Thus it is very important to further investigate neutrino physics. Cosmic neutrinos have played a crucial role during phase transitions in the Universe, such as the big-bang nucleosynthesis, recombination and formation of large-scale structure, which have left useful information in cosmological observations. Recently more and more cosmological observations with high precision, especially the cosmic microwave background radiation measurements, prompt cosmology to enter a precision epoch. Therefore, it becomes possible to probe neutrino physics with cosmological observations, which provides a new way complementary to particle physics experiments. We shall theoretically explore the nature of cosmic neutrinos, including mass acquirement mechanism, origin of Lorentz invariance violation, neutrino decoupling mechanism and interaction with other particles. Moreover, we use recent measurements of the cosmic microwave background radiation anisotropies and large-scale structure to constrain the mass of neutrinos, to probe the Lorentz invariance violation in the neutrino sector, to distinguish the decoupling models and test the sound speed and anisotropic stress of neutrinos.

中微子振荡表明中微子有质量，而在粒子物理的标准模型中中微子没有质量，因此，解释中微子振荡要求超出标准模型的新物理，深入研究中微子的物理性质显得非常重要。宇宙中微子在宇宙演化的物理过程中扮演着重要的角色，譬如，原初核合成、光子退耦、以及宇宙大尺度结构的形成，能在宇宙学观测数据中留下有用的信息。近几年，越来越多高精度的天文观测数据，尤其是宇宙微波背景辐射各向异性的测量，把宇宙学带入了精确时代。这使得用宇宙学观测实验来探测中微子的物理性质变得可能，提供了一个与粒子物理实验互补的新途径。我们从理论上探讨宇宙中微子的物理本质，包括质量的产生机制、洛伦兹破坏的物理起源、中微子的退耦机制、以及中微子与其他物质的相互作用。利用最新的宇宙微波背景数据和大尺度结构数据来限制宇宙中微子的质量，探测中微子的洛伦兹破坏，区分中微子的退耦机制，以及检验中微子的声速和各向异性应力。

在粒子物理的标准模型中，中微子是没有质量的。然而，中微子振荡实验表明中微子具有质量，这意味着存在超标准模型的新物理，中微子性质的研究很可能是探索新物理的突破口。在宇宙早期曾经发生了原初核合成，中微子通过弱相互作用参与中子-质子反应过程。当宇宙的温度为兆电子伏时，中微子不再与宇宙的物质有耦合，形成宇宙中微子背景。中微子的性质能够影响原初核合成过程和宇宙微波背景辐射的各向异性。因此，可以通过原初核合成和宇宙微波背景辐射数据来研究中微子的性质。..1）分析了中微子洛伦兹对称性破坏对宇宙原初核合成的影响，发现破坏项不但改变宇宙的膨胀率，而且改变弱相互作用的反应率。分析了中微子洛伦兹对称性破坏对宇宙微波背景辐射功率谱的影响，发现破坏项影响宇宙的背景演化和扰动演化。联合原初核合成和宇宙微波背景辐射观测来限制破坏项。我们采用了插值算法，把原初核合成预言的氦-4丰度作为计算宇宙微波背景辐射角功率谱的初始条件，数值上实现了联合限制。发现原初核合成的加入能够有效地打破暗物质与破坏项之间的简并，从而对破坏项给出了更强的限制。..2）计算了原初中微子不对称的宇宙学演化，考虑了中微子与物质的相干散射过程。发现逆序中微子振荡效率高，在高温下中微子不对称迅速趋于零；而对于正序中微子，由于演化速度缓慢，存在明显的中微子不对称。原初中微子不对称导致中微子总能量密度增加，加快宇宙的膨胀速率，从而增加氦-4的丰度。同时，不对称也会通过弱相互作用影响中子-质子过程，影响原初核合成过程。..3）计算了通过中微子振荡产生惰性中微子的能谱分布。考虑了两类典型的情况，非参数共振机制和参数共振机制。对于前者，产生的惰性中微子是费米-狄拉克分布；对于后者，产生的惰性中微子的分布函数依赖于轻子数和混合角。发现，相对于费米-狄拉克分布，惰性中微子的分布函数峰值移向低能方向，另外，参数共振会导致分布函数在低能区域出现共振峰。