宇宙距离二重性关系的应用和中微子性质的限制--《南京大学》2013年硕士论文
宇宙距离二重性关系的应用和中微子性质的限制
【摘要】：观测宇宙学在近十几年内发展迅速。很多新鲜的观测方法技术和探针被不断地开发,很多重要的科学发现也因此给我们对宇宙的认识带来了革命性的影响。本文的工作主要基于对宇宙学探针数据的利用,从而进行连结理论与观测的现象学研究。
第一章简单介绍了我们两方面工作的背景和研究动机。其一是关于使用宇宙距离二重性关系来检验星系团气体质量分数的测量,另一是使用宇宙学观测数据对中微子性质和暗能量状态方程的联合限制。
在第二章中,我们提出了针对一些目前在星系团中测量得到的X射线气体质量分数(fgas)数据所进行的一致性检验。这种方法借助于Union2超新星的光度距离(DL)数据,并使用宇宙距离二重性关系,ηtheory=DL(1+z)-2/DA。我们并不像之前的一些分析一样给ηtheory设置一些红移参数化形式,而是固定ηtheory≡1,进而提取fgas数据与超新星观测同时偏好的宇宙学信息。在处理Union2超新星数据时,我们采用了取bin的方法,从而达到减小统计误差的目的。四个X射线气体质量分数样本,即Allen等(两个样本)、LaRoque等和Ettori等,经由两种对fgas的理论模拟,在我们的工作中被细致地分析。对Allen等样本的分析结果证实了我们这种方法的可行性。我们的分析给出LaRoque等的样本所倾向的宇宙学与其参考宇宙学在1-σ置信度水平内吻合。但是对于Ettori等的fgas数据集,不自洽性可达高于3-σ置信度水平。此数据集展现出对ΩA=0宇宙学的特殊偏好。
第三章主要围绕我们对中微子性质的宇宙学限制展开。使用很多宇宙学观测数据,包括宇宙微波背景辐射各向异性观测(WMAP卫星第7年数据)、弱引力透镜观测(CFHTLS项目第3年数据)、重子声波震荡观测(SDSS和WiggleZ项目数据)、最新的Hubble膨胀率的观测、Union2.1Ia型超新星的观测数据以及HST卫星对Hubble常数的测量结果,我们对中微子的总质量参数(∑mv)、中微子的有效代数参数(Neff)和暗能量的状态方程参数(w)进行分别的以及联合的限制。我们发现如果Neff和w被固定不动,所有数据的确可以联合给出一个∑mv的很低的上限。但是,一旦Neff和w可以自由变化,原先紧致的上限会遭到严重的削弱。我们的这一发现,对之前所有文献里所谓的“精确的中微子质量总和的上限”的严谨性提出了重大疑问。在我们的研究中,针对最一般性的情况(即使用所有的数据,放开所有的参数),那三个关键参数的限制结果是∑mν=0.556+0.231-0.288eV、Neff=3.839±0.452和w=-1.058±0.088,在68%置信度区间。我们的结果给出了中微子总质量的1-σ下限、支持最近发现的偏离标准大爆炸核合成所预期的三味中微子的额外自由度、并且支持宇宙学常数暗能量模型。另外我们还发现如果暗能量状态方程参数固定,目前的弱引力透镜数据在限制其他宇宙学参数时体现出了一定的能力。同样,在w=-1的前提下,Hubble膨胀率的观测数据体现出了很多超越超新星数据的地方,尤其是其对Neff的精确限制。不过,只要w作为一个自由参数变化,始终是超新星这一标准烛光数据在参数限制中起主导作用。
最后我们对本文所介绍的工作加以总结,并提出研究展望。
【关键词】：
【学位授予单位】：南京大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2013【分类号】：P159【目录】：
摘要4-6Abstract6-8目录8-10第一章 引言10-16 1.1 星系团和宇宙距离二重性关系10-12 1.2 中微子性质的宇宙学限制12-16第二章 使用CDDR检验星系团f_(gas)的测量16-25 2.1 CDDR与星系团f_(gas)的联合16-18 2.2 数据集和分析方法18-21
2.2.1 星系团和Ia型超新星数据样本18-20
2.2.2 统计分析方法20-21 2.3 分析结果21-25第三章 宇宙学观测对中微子性质的限制25-43 3.1 各种宇宙学观测数据25-29
3.1.1 弱引力透镜26-27
3.1.2 Ia型超新星27-28
3.1.3 重子声波震荡28-29
3.1.4 观测Hubble参数29
3.1.5 其他数据29 3.2 对宇宙学参数的限制29-43
3.2.1 对参数空间“Vanilla+∑m_v”的限制30-31
3.2.2 对参数空间“Vanilla+N_(eff)”的限制31-33
3.2.3 对参数空间“Vanilla+w+∑m_v+N_(eff)”的限制33-43第四章 总结与展望43-46参考文献46-68攻读硕士学位期间完成的学术成果68-69致谢69-72
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京公网安备75号宇宙中最神秘粒子并非是暗物质 疑似反中微子形成了地球
摘要：近年来科学家们一直未能确定的上帝粒子希格斯玻色子，以及遍布宇宙中却无法探知的神秘暗物质粒子等。为此，科学家决定在地壳下方一公里深处建立了一个全球最大的实验室。科学家猜测在岩石层可能有一种新力量存在的证据，它能够保护在此进行的最精密实验不受到宇宙射线和其它高能粒子的辐射，帮助科学家窥探极其罕见的粒子。以下盘点了可能位于地下的五种神秘粒子，包括非粒子、弱相互作用重离子(WIMPs)：非粒子物理学家一直在地球地幔处寻找一种新的基本力。非粒子，兼具光子和拥有重量的粒子的双重特性，或可能是导致远程自旋相互作用的主要原因，这是指导致原子中的电子在长距离范围内将它们的自旋频率逐渐调整统一的新型力。为了发现这种新基本力的存在证据，研究人员已经标记出地球地幔里的电子的密度和自旋，目前正在调查这些地下电子是否会影响两个相距4828千米的实验中的中子和电子的自旋。如果地幔中的电子传输一种力量给实验室里的粒子，那么它将改变粒子的自旋频率。这种新基本力也将与引力、电磁力和强弱的核力一起影响宇宙的行为。暗物质粒子宇宙充满了各种不可见的物质，它们也被称为暗物质，后者的引力拖拽作用是导致星系不会分崩离析的主要原因。目前最主要的理论认为暗物质是由弱相互作用重离子(WIMPs)组成的，后者很少会与正常物质发生相互作用。好几处实验室，包括美国南达科塔州霍姆斯塔克金矿的最大地下氙探测器(LUX),也依赖地壳以保护实验不受到宇宙射线的辐射。目前为止，搜寻到WIMPs的证据寥寥无几，但正在进行的其它几项试验或可能在未来几年有新的发现。太阳中微子位于意大利的萨索国家实验室的物理学家在所谓的变型，或者称为“风味”的过程中，发现了太阳中微子的痕迹。太阳的核反应会产生这些不带电的粒子，但主要的理论认为它们在前往地球的过程或会发生“风味”的改变。因此，寻找特定风味的太阳中微子的物理学家最终只会测量到比他们预期更少的极少数太阳中微子。太阳中微子很少与物质发生相互作用，但是通过从欧洲核子研究委员会物理学实验室发送731米粒子束至萨索国家实验室，物理学家成功的捕获到正在改变风味的粒子。这项发现证实了中微子在从太阳到地球的过程中的确会发生风味的改变。反中微子中微子可能形成于太阳，但地球地幔内部的放射性元素也能产生少量的中微子。萨索国家实验室还成功的围困了某些所谓的反中微子，后者形成于放射性的铀或者钍衰变。这种新粒子或可能解释地球内部形成了多少热，从而导致构造板块的运动。为了捕获从地幔放射出的反中微子，研究人员使用了一种基于油的液体，当亚原子粒子撞击该液体时它会发光。研究人员鉴别出反中微子的存在是因为当中子撞击液体的原子时，它们放射出正电子。核子衰变
尽管很多亚原子粒子会衰变成其它粒子，但目前科学家还尚未发现组成原子核的质子和中子的衰变。旨在揭示物理学的一切的大统一理论预测了核子衰变的存在。为了找到这种罕见衰变的证据，日本神冈矿山地下的超级神冈探测器实验的科学家已经耗费了多年时间寻找核子衰变。即使光子的衰变时间需要10的34次方，探测器也应该能够发现少数光子衰变迹象。然而，目前为止超级神冈探测器仍一无所获。
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中微子为什么要振荡？（下）
&&来源:&&作者:Sheldon&& 9:23:35&&我要投稿&&
:前文我们提到过，在太阳内部的中，弱相互作用占有重要的地位。许多弱相互作用都会产生电子。我们知道中微子不带电，又不像电子，，中子那样参与那么多相互作用。因此，许多中微子一经产生，就很容易以（接近）光速从半径几十万公里的太阳内部跑出来。相比之下，核聚变释放出的光子，由于频繁参与相互作用，反复被吸收发射，从太阳内部跑出来的平均时间是1万年到17万年。这是多么不可思议的事情，我们所沐浴的温暖阳光，竟然是数万年前从太阳内部产生的，虽然跑完从太阳表面到地球的距离，光只需要8分钟。因此，虽然人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光，但是从太阳这样的恒星中获得的信息有点儿&过时&。如何才能获得&即时&的信息呢？那就探测太阳发出的电子中微子吧！【注1：1987年一颗超新星爆发时发射的中微子流比可见光早了两个半小时抵达地球】说到太阳发出的电子中微子，大家也许会立刻想起电影《2012》来。在这个伪科幻电影中，人类之所以面临地狱般的劫难，就是因为这些电子中微子加热了地核。实际上，《2012》的漏洞非常明显。地球上的每一平方厘米的地方，每秒钟都有百亿个太阳中微子穿过。如果从太阳内部发出的中微子能加热半径数千公里的地球，那么它首先应该加热数十万公里的自身才对。那样的话，人们早就会发现太阳不对劲了，还用的着挖那么大的一个坑才发现？其次，人体本身也是由基本粒子组成，人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。如果中微子的能量那么容易被吸收，难道人类不会先被照出病来吗？况且，地球本身也会发射大量中微子&在所谓的太阳中微子引起的山崩地裂之前，人类早该变成蜂窝煤了。真实的情况是，中微子能够很容易地穿透地球，然后它们&挥一挥衣袖，不带走一片云彩&。这是因为能够吸收中微子的弱相互作用反应截面比较小，而中微子又不参与强相互作用和电磁相互作用。这个原因很好理解，设想影视歌三栖明星，外加金马奖金曲奖得主，让他不戴墨镜不乘车在南京路步行街走两圈试试看？肯定没两步就让人拦住签名了，说不定还有人即兴求爱呢。可同样是名人，你把诺贝尔物理学奖得主温伯格请到南京路，抬一块写着电弱相互作用哈密顿量的小黑板，再拿个高音喇叭边走边喊：&瞧一瞧看一看，温伯格来上海啦&。可能一条街走七个来回都没几人待见他。为啥？这就是由&相互作用类型不同&，&反应截面太小&造成的。温伯格有时候也会上科普纪录片，他写的每一部书都是经典。
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政策解读电力数据看电力神奇的中微子还会赢得诺奖吗？
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■今日视点看上去不起眼的中微子粒子，今年已是第四次使研究者荣获诺贝尔物理学奖了，之前的三次分别是在1995年、1988年和2002年。尽管比其他亚原子粒子小百万倍，但中微子在物理学上具有重大意义，可能是解开宇宙中一些尘封秘密的关键所在。最新一期的《对话》分析文章提出了这样一个问题，有关中微子研究的前沿在何处，它会让我们发现什么呢？远比想像的更有趣物质由基本粒子构成。大多数人都听过电子、中子和质子，或许还有夸克，中微子组成了中子和质子。但对于我们而言，中微子是最令人惊奇的基本粒子。它们无处不在，每一秒钟倾泻到1平方厘米地球表面的中微子约有650亿个，这些由太阳核聚变所产生的微小粒子总是倏忽而过。由于中微子几乎不与其他物质发生相互作用，今年的诺贝尔物理奖获得者东京大学教授梶田隆章和加拿大物理学家阿瑟&麦克唐纳，为了捕捉到它们，不得不建立灌满成千上万吨水的巨大探测装置。在研究中，他们发现中微子远比我们想像的更为有趣。一个正在太空中飞越的中微子，会明显连续以中微子的不同“类型”转换，改变它们与物质相互作用的方式，这就是所谓的中微子振荡。你不妨将其想像成这样一个图景：有一个小家伙在以接近光的速度运行，不断更换它外套的颜色。如果中微子有质量，它们肯定只能这样做。而从已发表的实验结果来看，中微子被认为没有质量。显然，今年诺贝尔物理奖得主的研究具有里程碑意义。反中微子惹人好奇中微子身上迷人的特性已显露无遗。2000年左右，大量建立在中微子具有质量这一基础上的实验成功地发现了更多的细节。然而，这些新发现也一如既往地引发了更多的问题。如今，人们已经很详细地研究了中微子振荡，并对它有了很好的了解。但一个非常重要的问题在于：有没有反中微子，其与中微子振荡的极性相反？所有粒子都具有反粒子，例如，常见的带负电荷的电子，有正电子作为其反粒子，但是具有正电荷得是在核反应中产生。然而中微子不带电荷，也很难搞清楚其反粒子会是什么样。也许，它们几乎相同，而行为表现不同。揭开反物质的秘密探寻中微子和反中微子以不同的方式互相作用，可能会对解决物理学中最大的谜团之一，即“为什么整个宇宙只是由物质构成”产生深远影响。大多数人相信，在宇宙大爆炸期间，物质和反物质被等量生成。那么，所有的反物质到哪里去了？我们知道，反物质和物质无论何时相遇，都会毁于刹那间。也许为了避免终极毁灭，它才不出现在周围吧！不然，所有的物质也将不复存在了。关于反物质，被当前多数人认同的主要解释之一是物质的行为不同于反物质。但是，仅弄清中微子和反中微子是如何改变自身“外套颜色”尚不能提供完整全貌。答案或许来自有关中微子的第二个秘密，即为什么中微子的质量小得如此令人难以置信？是否有过重中微子在标准模型中，中微子比其他粒子轻得多。中微子产生的质量是不同的，如果这种说法正确，那么可能存在两个版本的中微子：一个是今天观察到的具有极微小质量的中微子，另一个则是大量存在于宇宙诞生时的相对较重的中微子。理论计算指出，如果这些重中微子具有与其行为不同的反粒子，那么它们随后会衰变成若干像电子和正电子一样更小的粒子。而这一切会“不对称”地发生，这意味着在衰变时反粒子比正粒子创建的少。在早期宇宙条件下，这可能会导致相对少的残留物质形成了我们今天的宇宙。难怪科学家们会投入这么多的精力了解中微子的性质。搞清楚这些中微子真实性质的唯一途径是寻找一种极其罕见的被称为“无中微子双β衰变”的核衰变。为了观察到这种衰变，许多实验室正准备对大量的同位素展开研究。中微子组成暗物质？中微子可能也为天体物理学家观测到的令人困惑的数据提供解释。数据表明，宇宙中还存在很多我们无法直接观察到的暗物质，它们比我们所观察到的物质大约多5倍。2000年左右，有人认为，幽灵般的中微子可能是暗物质，但现在知道，它们都不够重。科学家观察到三种类型的中微子：电子中微子、μ中微子和τ中微子，而且似乎还有这三种类型以外的其他类型粒子。那么，问题是是否存在可以解释暗物质的额外中微子呢？ 1
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中微子研究获新进展：以接近光速穿行
IceCube中微子探测器位于南极点附近，能向上和向下探测中微子源
IceCube观测站由86个位于冰层中的洞穴组成，里面放置着成串的探测器，深度在1.5至2.5公里之间。
　　新浪科技讯 北京时间8月12日消息，据国外媒体报道，物理学家已经获得了许多有关中微子的新发现。在南极的冰层下有一座巨大的中微子探测站，通过搜寻从北极穿过地球的中微子，该站所探测到的“宇宙中微子”数量已经增加了一倍。近日，这个研究站宣布探测到了目前最高能的中微子。
　　与此同时，在意大利的一个探测器第一次证实，在地球的地壳之下也会产生中微子。这些“地球中微子”所携带的能量比宇宙中微子少很多，但它们能帮助科学家了解地热形成的放射过程。相比之下，来自太空的中微子可以提供有关银河系之外各种神秘辐射源的线索。
　　中微子是一种没有电荷，且几乎没有质量的亚原子粒子，几乎不与其他任何物质发生反应。这意味着它们能以直线穿过宇宙，毫无干扰地穿过整颗行星，并且很难被探测到。在南极的冰层下，IceCube中微子观测站的数千个探测器分布在1立方公里的范围内，这些探测器装有光学传感器，用于捕捉中微子偶尔击中原子时产生的闪光。
　　北极到南极
　　2013年，IceCube观测站宣称第一次探测到了来自太阳系以外的中微子，其中有28个中微子在被捕获时的能量远远超过人类最好的粒子加速器所能产生的最高能粒子。从那时到现在，这种高能的“宇宙中微子”数量已经上升到了50个以上。
　　在本周于荷兰举行的一次会议上，IceCube观测站宣布了一个破纪录的事件，由该站的探测器在2014年6月发现。他们探测到了一个携带着至少2600TeV能量的中微子——比大型强子对撞机里的光子还高数百倍。此前IceCube观测站的记录是2000TeV。
　　这也是目前探测到的能量最高的中微子，也是速度最快的：所有的中微子都以非常接近光速的速度穿行，一点点速度的增加都需要极大的能量。此外，这一能量值只是一个最低值。中微子本身并不能被探测到，IceCube发现的是一个不同的粒子，称为μ子(muon)——缪中微子(μ中微子)的产物，而且它是从北极方向来的。
Borexino观测站的不锈钢球体装满了光学传感器
Borexino观测站的探测器中装满了一种特殊的碳氢化合物液体
　　IceCube观测站首席研究员、威斯康辛大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)说：“它是由一个穿过地球，从我们的探测器下方出现的中微子所产生的。”通过一种被哈尔岑称为“信封背面”(back of an envelope)的物理计算，研究团队重建了中微子的相互作用，即μ子轰击冰层，释放2600TeV的过程。
　　“利用标准物理模型，这个中微子的能量大约在TeV之间，最可能的值是在这一范围的中间，”哈尔岑解释道，“这个中微子的能量相当于1000倍大型强子对撞机光束的能量。这太惊人了。”
　　事实上， IceCube观测站的物理学家正是用这类证据来确定探测到的宇宙中微子数量增加了一倍。他们已经在对两年来的数据进行重新分析，此前在这些数据中已经发现了超过50种银河系的粒子，均为直接来自南方天空的电子和陶中微子。
　　在即将发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters)的一篇文章中，研究团队将注意力投向了北极，揭示了有同样数量的谬中微子从北半球飞入了地球内部。最终，每个中微子都撞到了一些物体，在冰层中释放了μ子，就像2014年6月破纪录的那个一样。
　　哈尔岑说：“这种新的方法使我们获得了同等数量的缪中微子，我们的统计因此也达到了100以上。”重要的是，μ子相对较重，因此当冰层中的传感器发觉它们的经过，其轨迹也能够再进行重建。这使得IceCube成为一台望远镜，能向北穿过地球，观察中微子所来自的宇宙角落。
　　来自内部的轰击
　　中微子还可以由少得多的能量产生，而且与我们的距离也可以更近。Borexino观测站埋在意大利格瑞·萨苏的地下，200吨特制油填满了一个巨大的、球形的桶，里面装有光学传感器。Borexino观测站的建造目的是为了捕获由太阳中心核反应产生的低能中微子。观测站以往的工作是成功的，但现在国际研究团队利用其7年的数据，对地球内部进行探测。
　　我们的地球内部能产生大量的热——大约为世界所有电厂总量的20倍。这些热大部分是辐射热，但科学家并不清楚到底有多少热量。Borexino观测站的成员阿尔多·易安尼(Aldo Ianni)解释道：“唯一能了解有多少热量来自辐射的方法是测量来自地球内部的中微子。”
　　Borexino观测站和日本的超级神冈中微子探测器已经发现了这些“地球中微子”的踪迹，伴随着的是无数由地球表面核电站产生的游离中微子。
　　不过，在一篇准备发表在《物理评论D》(Physical Review D)的论文中，Borexino观测站的研究团队列出了一些重要的证据，显示从地壳以下的地幔层也会产生中微子。这组数据包含了77个候选的中微子，计算结果显示有24个来自地球内部，而不是来自核电站的反应堆。在这24个中微子中，研究者能几乎肯定——还未完全肯定——有一些来自地幔。之所以还没有完全肯定，是因为在计算的每个步骤中都存在着一些不确定性。
　　阿尔多称：“它在98%的置信水平，意味着还有极小的可能是，这些中微子不是来自地幔。”按目前粒子物理学的规则，这么小的可能性相对于正式的“发现”来说还是太大了。“这种可能性很小，但从物理学的角度来说，它应该要更小得多。”
　　珍妮·威尔森(Jeanne Wilson)是英国玛丽皇后大学的粒子物理学家，在日本的超级神冈中微子观测站工作。她认为Borexino观测站的结果虽然还很初步，但非常重要。
　　“从以往的结果看，我们会很有自信地说观测到了‘地球中微子’，但随着观测结果越多，你对它们从何而来的信息就知道得越多，”她说，“我们现在正接近一个临界点，可以开始做这方面的分析。我不认为这些模型中有什么东西会推翻目前已有的关于地球的模型，但它们确实表明，我们正在接近一个中微子能提供切实帮助的点。”(任天)
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