文章导读
中微子质量竟来自暗物质？这一诱人假说曾被视为破解两大宇宙谜题的钥匙。但上海交李政道研究所团队联合意大利学者，首次利用大亚湾、RENO和KamLAND实验数据给出有力反证。研究发现：若暗物质极轻，其波动效应将显著改变中微子振荡模式，而KamLAND长基线数据以4.5σ的显著性支持传统质量模型，几乎排除了该假说。这是否意味着暗物质与中微子必须分道扬镳？更精确实验即将到来，谜底正被层层揭开。
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近日，上海交通大学李政道研究所博士后安德鲁·齐科（Andrew Cheek）和张闳一，与意大利萨莱诺大学教授卢卡·韦斯内利（Luca Visinelli）合作，在国际权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表论文，首次基于实验数据对“中微子质量来源于暗物质”这一假说提出有力反证。
中微子是一种极难探测的基本粒子。振荡实验已确认它们并非像粒子物理标准模型预言的没有质量，但其质量来源在粒子物理学中依然悬而未决。相关假说往往依赖引入新的高能粒子或超越标准模型的复杂机制。然而，宇宙中还存在另一大谜团——暗物质，它约占宇宙总物质的85%，却至今未被直接探测到。这两个未解之谜是否可能有关联？一种颇具吸引力的设想指出，中微子或许通过与一种质量小于约10电子伏特的极轻暗物质场相互作用而获得质量。
研究者利用大亚湾、RENO及KamLAND等主要中微子实验的数据检验了该假设。他们的核心观点在于：若暗物质足够轻，其表现更似波而非粒子，将引发时空依赖性，从而在观测到的中微子振荡性质中留下微弱调制的痕迹。他们讨论了两种情形：（1）若暗物质相对较重（大于约10-14电子伏特），其空间波动性会在地球穿越时模糊振荡信号，甚至抹除中微子振荡的特征模式——这一情形与现有实验数据不符；（2）若暗物质更轻，质量处于10-19至10-14电子伏特范围，则波动效应主要表现为中微子参数随时间的变化。对于如大亚湾和 RENO 这类短基线实验而言，暗物质假设与标准真空质量模型拟合效果相当。但对于如 KamLAND 这类长基线实验而言，数据显著倾向于支持传统真空质量起源，统计显著性达到4.5σ。论文指出，正在进行的中微子实验，例如中国的JUNO，或可凭借前所未有的精确度彻底排除这一可能性。
在KamLAND 实验中反中微子存活概率与基线长度（L）和中微子能量比值的关系。黑点为实验报告数据，彩色曲线分别表示由暗物质相互作用生成的中微子质量（绿色）及真空中微子质量（蓝色）所对应的存活概率。
李政道研究所博士后安德鲁·齐科（Andrew Cheek）和张闳一，与意大利萨莱诺大学教授卢卡·韦斯内利（Luca Visinelli）三位作者按姓氏首字母排序，为共同通讯作者。卢卡·韦斯内利原为李政道研究所青年学者，在所期间完成该研究的大部分工作。该研究得到国家自然科学基金、上海交通大学，以及意大利国家核物理研究所的支持，在此深表感谢。
论文原文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/wyns-m4y5
作者： 李政道研究所 供稿单位： 李政道研究所
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