題:
所有慢中微子在哪裡?
Physics Footnotes
2016-07-09 01:14:32 UTC
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物理學家描述中微子的傳統方式是它們的質量非常小,這意味著它們必須以接近光速的速度行進。這是Wikipedia的報價,也反映在許多教科書中:

在粒子物理學的標準模型框架內,長期以來一直假設中微子是無質量的。因此,它們應根據狹義相對論以精確的光速行進。但是,由於發現了中微子振盪,因此假定它們具有少量質量。 1因此,它們的傳播應比光速稍慢...-維基百科(測量的中微子速度)

從表面上看,這種語言極具誤導性。如果粒子具有質量(無論大小),則其速度是完全相對的,並且說中微子無條件地接近光速行進,就像說電子或台球以接近光速行進一樣不正確。光。

那麼每個人重複此描述的原因是什麼?是因為我們在實踐中檢測到的所有中微子都以接近光速的速度運動?如果是這樣,那麼我有這個問題:

Neutrinos從各個方向和各種來源(恆星,核反應堆,粒子加速器等)來到我們身邊,而且由於它們具有質量,就像電子一樣,我以為我們應該看到它們完全在行進各種速度。 (例如,肯定有一些宇宙中微子源以很高的速度離開地球。或者加速器中的粒子所發射的中微子又如何呢?)

就像我剛開始說的那樣:慢速中微子在哪裡?以及為什麼我們要繼續誤導性短語:“接近光速”(即沒有上下文限制)?

原則上可以檢測到非相對論中微子在β衰變中的貢獻,可以用來測量中微子質量:https://www.katrin.kit.edu
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@CuriousOne是的,但是請注意,在相應的中微子能量是非相對論的區域中,對電子能量分佈的影響最大。因此,如果他們檢測到中微子質量,則將是產生非相對論中微子的衰變,這對結果貢獻最大。
有誰知道為什麼刪除了部分評論線索?這是一個有用且相關的對話框。
如果中微子的質量很低,那麼如果它們*相對於檢測設備*不快速移動,那麼它們的能量就非常小。這是否會使這種中微子很難被發現,從而意味著我們只見過相當快的中微子?這不是一個誇誇其談的評論:我不是粒子人,所以我不知道,但這可以很好地解釋缺乏慢中微子的發現。
我想我只是天真地想著OP的問題:“慢中微子在哪裡?”無疑,它們“存在”,但是無法直接測量它們。甚至來自放射源的大多數中微子在放射源的慣性系統中都是相對論的。
@tfb:是的,這幾乎是實驗問題的核心。您可以查看太陽中微子探測器的截止能量,以了解其下降幅度。我認為它至少在一位數字MeV範圍內,至少對於Cherenkov探測器而言,中微子將其動量傳遞給電子,而電子必須相對論才能引起Cherenkov輻射。
@PhysicsFootnotes更好。另外,我刪除了一些評論,因為它們應該作為答案發布。這些評論旨在提出改進建議,要求澄清以及在一定程度上鍊接到相關資源-僅此而已。註釋始終是暫時的,一旦達到目的就可以刪除。評論中的任何有用信息都應納入問題或答案中。
他們去哪了?我們不知道鮑勃·迪倫(Bob Dylan)沒能寫那節經文。:) @tfb這就是我很長一段時間以來一直假設的,但是由於沒有任何粒子朋友,所以從未與知識淵博的消息來源進行核對。從答案看來,我們是對的。順便說一句,我走了一下,在[我對這個問題的答案](http://physics.stackexchange.com/q/192528/26076)中寫下了這個猜測。我沒有得到任何反對意見,但是,由於最初的問題是當前問題的混亂形式(這一點更加清楚),所以我不確定是否有很多人看到了。
@DavidZ:對話框進入聊天室:)
二 答案:
Sentry
2016-07-09 04:42:13 UTC
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嚴格來說,中微子以“接近光速”傳播的確是不正確的。正如您所說,由於它們具有質量,因此可以像處理其他任何大物體一樣,例如撞球。因此,它們僅以接近光的速度相對於某物移動。相對於另一個同動中微子,它會靜止。

但是,對於幾乎所有實際目的,該聲明仍然適用。甚至在哪個參考系中觀察中微子都沒有關係。原因是非相對論中微子沒有任何相互作用。換句話說:您可以檢測到的所有中微子必須具有相對論速度。

讓我詳細說明。由於中微子的相互作用很弱,因此即使它們具有高能量(> GeV),也已經很難檢測到。如果您使用更低的能量,則相互作用的橫截面也會越來越小。但是還有另一個重要的觀點。大多數中微子相互作用過程都有一個能量閾值發生。例如,反Beta衰減

$$ \ bar \ nu_e + p ^ + \ rightarrow n + e ^ + $$

其中抗中微子將質子轉化為中子和正電子,並且通常用作中微子的檢測過程的p的閾值為1.8 MeV抗中微子能量。中子和正電子比反中微子和質子更重,因此反中微子必須具有足夠的能量以產生最終狀態的多餘質量(1.8 MeV)。低於該能量,(反)中微子將無法再發生此反應。

閾值特別低的反應是原子中電子的彈性散射。這僅需要eV量級的閾值能量(將電子置於更高的原子能級時需要此能量)。但是具有eV能量的中微子仍然是相對論性的!

假設中微子的質量約為0.1 eV,這仍然意味著$ \ gamma \約10 $的伽馬因子。為了使中微子不具有相對​​論性,它的動能必須在毫電子伏特範圍內或更低。這是 宇宙背景中微子(宇宙最早的遺跡)的預期能量範圍。可以這麼說,宇宙微波背景的中微子版本。因此,不僅存在非相對論中微子(根據主流宇宙學模型),而且它們都在我們周圍。實際上,它們在地球上的密度是太陽中微子的50倍左右!

如果可以通過實驗檢測到它們,則存在很大的爭議。有一些建議(甚至一個原型實驗),但是對於此類嘗試的實際可行性存在不同的意見。在如此小的能量下,中微子剩下的唯一過程是中微子引起的不穩定核衰變。如果您已經具有放射性同位素,就好比中微子會給它一點“推動力”。然後,在感應衰減中釋放的$β電子會比自發衰減的Q值接收稍大的能量,並且實驗信號將是正常β譜右邊的一個小峰值。這仍然將是一個極為罕見的過程,最大的問題是構建一種具有足夠好的能量分辨率的設備,以便可以將峰與正常自發核衰變的光譜區分開(在所有背景下)。 卡特琳(Katrin)實驗正試圖測量Tri的β譜的終點,以確定中微子質量。但是在非常有利的情況下,他們甚至有機會發現這種宇宙背景中微子的特徵。

TL; DR:實際上,到處都是非相對論中微子,但它們之間的相互作用非常小,以至於根本不存在。

回覆;“ *並且最大的問題是將其與正常的自發核衰變區分開來。緩慢的中微子。對核物理的後果是什麼?這樣的可能性會保持一致嗎?根據該假設是否可以計算出慢中微子的能量密度?
如果慢中微子這麼多,那麼儘管它們很小,但它們有可能對暗物質有顯著貢獻嗎?
@PieterGeerkens:對不起,我的措詞不正確,我更改了答案中的段落。自發和中微子誘發的$ \ beta $衰變是兩個不同的過程(後者是兩體反應,其中$ \ beta $電子總是獲得固定量的能量,而前者是三體衰變產生$ \ beta $-能量的連續光譜)。我的意思是“實驗上”難以區分該過程,這是極具挑戰性的,因為您要尋找的結構小於設備的分辨率。
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@Sentry非常感謝您提供的出色詳細解答。我也想听聽您對以下論文的看法,我認為這很有幫助。特別是,它對您來說看起來可靠嗎,和/或您會根據這些建議推薦其他東西嗎?J.A.G.P.福馬焦澤勒 “從eV到EeV:橫跨能量尺度的中微子截面” https://arxiv.org/pdf/1305.7513v1.pdf
@PhysicsFootnotes我知道本文並且經常將其用作快速參考,主要是因為它的全面性以及我寫得很好。如果我沒記錯的話,J.A。我提到的Formaggio也參與了托勒密CvB實驗。有關中微子及其橫截面的一般信息,我也可以建議評論[0804.3899](https://arxiv.org/pdf/0804.3899v1.pdf)和[1310.4340](https://arxiv.org/pdf/1310.4340v1.pdf)。
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Rob Jeffries
2016-07-09 04:56:53 UTC
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慢中微子的實驗檢測確實是一個大問題,但非常重要。

宇宙中微子的背景溫度約為2K,可能由非相對論中微子組成,可能是中微子靜止質量-密度約為340 cm $ ^ {-3} $ (所有口味)。正是出於您所建議的原因,溫度才處於這種低溫狀態-它的發射紅移約為$ 10 ^ {10} $。

當然有來自宇宙微波背景的這些中微子的間接證據( Follin等人,2015),但正在進行直接檢測這些中微子的工作-請參見 Faessler等人。 (2016) KATRIN

一個有趣的想法是,如果您能夠以某種方式將設備放置在移動的平台上,那麼如果您可以加速到相對論速度。我想這是與您的問題相反的情況-您將通過相對運動使慢中微子相對論。



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