宇宙中微子背景：看看宇宙的隐形遗产|光子|大爆炸|宇宙中微子|粒子|红移|隐形遗产

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自古以来一直困扰人类的谜团之一就是时间的起源。可以肯定的是，宇宙始于一个被称为大爆炸的事件。然而，我们对早期宇宙的大部分了解都是基于该事件数十万年后获得的数据。关于我们如何测量大爆炸以及中微子如何从根本上改变我们对早期宇宙的理解的问题仍然存在。

当您想到大爆炸时，中微子可能不是您首先想到的。但对于中微子物理学家来说，它是一个关键元素。据信大爆炸产生了等量的物质和反物质，它们在接触时湮灭。那么宇宙是如何最终充满物质的呢？也许答案就在于中微子。

今天我们将探讨中微子在早期宇宙中的作用，以及它们如何帮助我们更多地了解大爆炸后的时间。大爆炸后的初始条件非常极端，以至于原子核和原子无法形成。宇宙是一个由高能粒子组成的等离子体，如此炽热而致密，以至于没有任何东西，甚至中微子，可以在不相互作用的情况下传播很长的距离。

随着宇宙的老化，各种粒子开始从原始等离子体中分离出来。这意味着它们停止了相互作用，并开始表现得更像我们今天所知道的粒子。

经常提到的宇宙微波背景（CMB）是大爆炸发出的光子。事实上，这些光子在事件发生大约 370,000 年后才从等离子体中分离出来。然而，CMF 是对早期宇宙最古老的直接观测，使我们能够回顾数十亿年前的时光。

至于中微子，它们的相互作用比光子少，并且正如人们所预料的那样，它们与原始等离子体分离的时间要早
得多，大约在大爆炸后一秒。中微子在光照射之前离开超新星的核心，因为它们仅通过弱力相互作用，而不像光子通过更强的电磁力相互作用。同样，在早期宇宙中，中微子很早就从等离子体中分离出来，而光子在数十万年的时间里继续与其他粒子进行电磁相互作用。

这些大爆炸留下的中微子应该仍然存在于我们周围，它们被称为宇宙中微子背景（CNB）。如果我们能够测量它们，我们就可以看到一秒钟前的宇宙图片。这种观点与我们通过光子看到的观点非常不同，并且可以提供大量有用的信息。

研究宇宙中微子背景（CNB）的想法听起来像是科学家的梦想。然而，存在一个重大问题：CNF 尚未测量，因为这些中微子的能量极低。据估计，它们开始旅程时的能量比我们的加速器中产生的中微子的能量低约 500-1000 倍。用探测器探测此类中微子极其困难，但也许并非不可能。

此外，自大爆炸以来的 138 亿年里，这些中微子由于一种称为宇宙红移的现象而损失了大量的能量。要理解宇宙红移，需要考虑两个关键方面：宇宙的膨胀和波粒二象性。首先，我们知道宇宙正在膨胀，这意味着时空本身正在拉伸。其次，波粒二象性原理使我们可以将中微子视为波和粒子。

随着时空的扩展，波包会像一根被拉伸的线一样拉伸。波长增加。如果它是光波，它会向可见光谱的红端移动，这称为红移。相同的术语用于描述中微子波发生的情况，尽管在这种情况下不涉及光和颜色。因此，可以使用适当的公式计算波浪能。

根据物理定律，随着波长的增加，波能减少。波粒的拉伸程度取决于其在宇宙中运动的时间。宇宙中微子背景（CNF）中微子自大爆炸以来一直在移动，这意味着它们已被显着拉伸并失去了大部分能量。它们最初的能量为一到二兆电子伏特（MeV），但现在估计能量已减少数千亿倍，使它们比迄今为止发现的最低能量中微子低几个数量级。