宇宙中中微子数量的估计?这些中微子(还会改变)是否足够解释暗物质?

有估计,现在宇宙中光子与质子数量的比值大约是10^9 : 1
那么现在宇宙中中微子的数量是多少?与光子或质子比?
这些中微子(还会改变)是否足够解释暗物质?

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3个答案
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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-10-31 06:42

hmm,这是一个特别好的问题。

1. 中微子数密度

中微子数密度跟光子是差不多相同的量级,有如下关系

其中 是中微子的数密度,是光子的数密度, 是中微子的“种类”数,在现在的粒子物理标准模型中,为3。(可能有人见过宇宙微波背景辐射(PLANCK, WMAP等)给出的结果,是个稍微大于三的数字,那个是 ,是有效中微子数目。之所以比 3 大,是因为我们这个有效数目是用来计算中微子 decoupling 的时候用的,计算方法是认为解耦过程是瞬间的,但是实际上不是,所以有个小的差异。)

具体数字看 lyounger.


1.1 既然有这么多中微子,我们为什么能够探测到宇宙的光子遗迹了,却很难探测到中微子遗迹么?

中微子背景辐射是除了微波背景辐射之外另外一个很有趣的话题。把宇宙早期的信息带出来的,我们现在比较感兴趣的有三个
a. 微波背景辐射
b. 中微子背景辐射
c. 引力波

我们先探测到了微波背景辐射,是因为光子参与的是电磁相互作用,在四种相互作用(电磁,弱,强,引力)中电磁相互作用是一个长距离的,比较强的相互作用,所以光子很容易跟有些物质相互作用,也就是说跟我们探测器作用比较强,容易探测到。
中微子背景辐射,中微子是弱相互作用,是种比较弱的作用,可以轻易的穿过地球而不作用,所以很难制作探测器。看看当年探测太阳中微子的实验使用的巨大无比的水箱+光电管探测器,就知道探测到宇宙背景的中微子(要比太阳中微子少多了)有多难了。
但是同时,因为这种相互作用比较弱,传递相互作用的粒子(Z,W等等)比较重(因为比较重,所以才难以传播太远,所以才作用弱),很早就跟宇宙中其他的物质 decouple 了,所以如果能够探测到这部分中微子,可以获得比光子给我们的更早的宇宙信息。
另外引力波更弱,deouple 更早,所以探测到宇宙早期的引力波,可以获取更早的宇宙信息。


2. 重子(宇宙学里面的重子指的是所有的粒子物理标准模型中的重子,轻子,OTL)数密度

重子的数密度跟光子的数密度相比,那是太小了。

其中 是重子的数密度。

也就是中微子也远远比重子多多了。

3. 中微子作为暗物质

先说说重子物质,实际上我们现在看到的重子物质,也不过是 CMB 结果的重子物质能量密度的很小的一部分,也就是说有很多重子物质是我们看不到的。这部分我们也说是暗重子物质,跟我们所说的暗物质不是一会儿事情,不是看不到的就是暗物质。

不过,中微子嘛,在一些模型中,确实也是暗物质的一部分,虽然是很小的一部分。当然,现在的宇宙学标准模型 LCDM,是冷暗物质,不包括中微子这类热的暗物质。
暗物质模型经典的有几种,冷暗物质,热暗物质,温暗物质。这些模型各有各的特点。冷暗物质是最好的一种了,最大的好处就是有利于现在宇宙的结构形成。
至于冷和热的含义,看 @lyounger 的答案。这里我们有个量化的标准。首先得知道,相同的能量下,质量越大的粒子,动能就越小,质量越小的,动能就越大,也就是说越“热”。
如果粒子质量是小于 10eV 的,我们就说是热暗物质(hot dark matter);
如果质量远大于10eV的,就是冷暗物质(cold dark matter);
如果大约是 10eV,那么算是温暗物质(warm dark matter)。
(还是别问为什么是 10eV 了,因为这是个从好几个地方来的数字,涉及到比较深的内容,得好几天才能讲清楚。。。。)


3.1 中微子质量

三十年前,大家觉得中微子大概就是暗物质。甚至有个非常非常经典的对于中微子质量的估计,叫做Cowsik-McClelland bound,就是假设暗物质全部是由中微子组成来估算的(http://prl.aps.org/abstract/PRL/v29/i10/p669_1 )。这是一个从物理和数学上都非常简单的估算,但是却给出了一个非常非常好的中微子质量的上限,比实验室中的结果好了几个量级,堪称物理学上的一篇经典文章。
现在我们知道暗物质并不全是中微子,所以我们可以让这个中微子质量上限更加漂亮,

可以看到中微子非常轻,但是远远比现在的光子重多了。不过依然只是有些暗物质模型中很小的一部分。


3.2 为什么暗物质不能全是中微子

为什么?上面我们说冷暗物质的时候,提到了宇宙结构形成。

结构的意思主要是现在的星系,星系群,以及更大结构。为什么中微子不能作为全部的暗物质呢?因为如果暗物质是像中微子这么热,也就是像中微子质量这么小。如果某个地方暗物质有个扰动,密度变大,会在引力作用下开始聚集,形成一个能量密度更大的区域。但是这个区域不会继续聚集,因为暗物质粒子不是静止的,而是在随机运动的,有个 Landau Damping 效应,会像空气中的烟雾一样扩散。我们可以计算这种扩散效应,结果是:
暗物质质量粒子越轻,越难形成小尺度的结构。这个可以这么理解,粒子越轻,Landau Damping 越快,也就是说当初形成的一个暗物质聚集的区域,在晚期就会扩散成一个更大的区域,也就是重子物质只能形成这么大的区域的聚集,而不能形成更小尺度的聚集,也就是不能形成小尺度的星系。
对于中微子的情况,一个估算显示,如果暗物质全部是中微子,我们用上那个 Cowsik-McClelland bound 的中微子质量,得到的结果是结构只能形成 30 Mpc 这么大尺度的天体结构,也就是 190 个银河系这么大。这样说:
如果暗物质全是中微子,那么就不能形成银河系这么小的结构。

这是暗物质中即便包括中微子,也不能占有很大比重的一个最大的原因了。

当然,也有些人提出一些机制,来协助热的暗物质形成结构。


4. 附一个结构形成视频
http://www.youtube.com/watch?v=8C_dnP2fvxk

看不了视频的可以看看这个图。

(图片来源 http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/

这个是宇宙大尺度结果的 N Body Simulation,把 dark matter 看成一大团一大团的“粒子”(每个“粒子”包含很多很多很多的真实的暗物质粒子)。

这个图中,银河系的大小也就是一个很小的点。所以这个图显示的是宇宙的大尺度的结构。宇宙从这么大的尺度上来看,就是这般云一样的结构。

大家可以看到这个结构有很多的细节,也就是说,cold dark matter 可以帮助宇宙形成一些很小的尺度的结构。

如果是 warm dark matter ,就没有这么多的细节,只会有更大的点和更粗纤维状结构。

如果是 hot dark matter,那么细节就更少了,纤维更粗,更少。

从这样的图中,可以更好的理解我上面说的中微子最多也只能是暗物质很少一部分的原因,因为真实的宇宙更接近我贴出来的这个图,而不是那种没有细节的。

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lyounger粒子天体物理博士生

2013-10-29 19:18

现在中微子的数密度是112/cm^3(每一种),和光子数目(411/cm^3)同量级
中微子即使有静止质量,也很轻,所以被叫做“热暗物质”
“热”的意思是静止质量小,所以运动速度快,跟光子很像
“暗”的原因当然是因为极其难以观测到
中微子的数目非常巨大,但是质量太轻,实验上给的质量上限非常地低(无论哪一种)
难以起到明显的引力效应
而我们知道暗物质是通过引力效应发现的
所以不会是现有的暗物质的主要成分
现在学界的主流观点是
暗物质粒子和普通粒子的相互作用大小和中微子差不多,都是弱作用量级
(和弱作用类比,叫Weakly Interaction)
但是质量很大,在质子(接近1GeV)附近或者往上(Massive)
首字母拼起来就是WIMP

3 0

positron理论物理、天文爱好者

2013-10-30 16:37

已知的中微子已经不再认为是暗物质的主要候选者,但猜测可能存在的惰性中微子,或者右手中微子,可能是暗物质的候选者。

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