当年轻的宇宙在引力作用下凝结时，物质将自身结成星系、星系团和细丝，编织出一张令人眼花缭乱的复杂宇宙网。这个网的结构在一定程度上要归功于中微子——轻质的亚原子粒子，它们以难以想象的数量在宇宙中涌动。
因为它们高速移动并且很少与其他物质相互作用，所以这些粒子不容易被网格的引力糖蜜捕获。因此，它们的存在扫除了蜘蛛网，阻碍了这个宇宙金银丝细工的精细细节的形成。
中微子的质量不到第二轻粒子电子的百万分之一，但没有人确切知道它们的质量有多大。它们是唯一一种已知的基本亚原子粒子类型，其基本性质尚不清楚，一些研究人员怀疑这种缺失的知识可能是通向物理学新理解的大门。
日内瓦附近欧洲粒子物理实验室的粒子宇宙学家米格尔·埃斯库德罗说：“中微子是我们对其他粒子的了解不如其他粒子的关键粒子之一，但它却具有深远的宇宙学后果。”
这些小粒子在塑造宇宙方面发挥着巨大作用，这意味着它们弥合了通常在粒子加速器或物理实验室研究的亚原子世界与通过凝视天空而辨别的宇宙学世界之间的差距。因此，科学家们正在利用太空观测和地面实验来试图解开这个巨大的谜团。
但如果你问宇宙学家中微子有多重，然后问粒子物理学家同样的问题，你可能会得到两个不同的答案。两个小组测量这些质量的方法显示出脱节的迹象。
最近的宇宙学数据暗能量光谱仪（DESI）收集的质量出乎意料地小，并且与粒子物理实验的结果几乎相冲突。事实上，DESI 数据的一些解释表明中微子没有质量甚至负质量，(序列号：2014 年 11 月 21 日）。
这个奇怪的结果让物理学家考虑了一些诱人的想法——中微子的质量可能会随着宇宙的历史而变化，或者表面上的负质量是由暗能量引起的幻觉，暗能量是导致宇宙加速膨胀的神秘现象。
DESI 位于亚利桑那州基特峰国家天文台，收集星系和其他天体的详细地图。今年 4 月，DESI 科学家提出暗能量的密度可能会引起轰动。(序列号：4/4/24）。中微子的奇异性被掩盖了。但在此后的几个月里，物理学家意识到 DESI 也可能对中微子产生重大影响。
尽管如此，一些科学家认为中微子质量不匹配并不会造成宇宙毁灭。相反，它可能源于有关如何分析宇宙学数据的深奥细节。
但如果这种效应持续下去，可能预示着巨大的转变。 “我认为我们对宇宙的描述太简单了，”英国谢菲尔德大学的宇宙学家埃莱奥诺拉·迪·瓦伦蒂诺说。 “现在我们有了非常强大且非常敏感的测量结果……是时候让它变得复杂一些了。”
关于中微子质量的巨大困惑
中微子分为三种：电子中微子、μ子中微子和τ中微子。更复杂的是，每种类型都没有确定的质量，而是携带三种不同质量的量子混合物。
如今，这三位一体的中微子遍布宇宙每立方米数亿个中微子，数量是质子的约十亿倍。在早期宇宙中，粒子的堆积更加密集。
尽管中微子非常轻，但数量却很强大。数十亿年来，这些粒子一直在宇宙中发挥作用，它们的存在对夜空产生了不可磨灭的影响。它们不仅在构成恒星和其他航天杂物的正常可见物质周围飞行，而且还在暗物质周围飞行，暗物质是一种人们知之甚少的质量来源，它使宇宙周围的星系变得越来越大。
中微子的总数量不仅足以改变宇宙网，而且还足以影响宇宙的膨胀率。这两个因素使科学家能够通过观察太空来测量中微子质量。与较小的中微子质量相比，较大的中微子质量会导致宇宙更快地膨胀，并且宇宙的块状程度更小。
DESI 绘制出宇宙结构，通过一种称为重子声振荡的效应来确定膨胀率，这种声波在早期宇宙中留下了圆形图案。通过追踪宇宙历史不同时刻的这些模式，科学家可以追踪其生长，有点像宇宙树木的年轮。
与此同时，宇宙微波背景，即大爆炸后38万年释放的光，揭示了宇宙的团块。当来自宇宙微波背景的光穿过太空时，其轨迹会被旅途中的物质团弯曲，就像光穿过透镜一样。这种引力透镜的大小告诉科学家宇宙有多么块状。
结合宇宙微波背景的团块测量和 DESI 的膨胀率（中微子影响的两个因素），科学家可以将中微子的质量归零。
DESI 数据与欧洲航天局普朗克卫星的宇宙微波背景数据相结合，提供了中微子的质量上限。具体来说，三个中微子质量之和为小于约0.07电子伏特研究人员 4 月份在 arXiv.org 上在线报告称，置信度为 95%。 （电子伏特是物理学家用来量化质量的单位。电子的质量约为 511,000 电子伏特。）
除了中微子质量上限之外，还有一个基于实验室粒子物理实验的地板。这些实验测量了一种称为中微子振荡的现象，这是由于每种类型的中微子都是不同质量的量子混合物这一事实造成的。质量混合物意味着中微子可以当他们旅行时（序列号：10/6/15）。最初是μ子中微子，后来可能会被检测为电子中微子。
中微子探测器可以发现这种形状变化。由于振荡取决于不同中微子质量之间的关系，因此这些实验无法直接测量质量本身。但它们确实表明三个中微子质量的总和必须大于约 0.06 电子伏特。
这意味着 DESI 对超过约 0.07 电子伏特的中微子质量的排斥接近于排除振荡实验允许的整个质量范围，这令人不安。地板和天花板几乎是接触的。
中微子质量仍然有一点余地——也许是一个爬行空间——可以与宇宙学和振荡实验和谐相处。但 DESI 结果令人惊讶还有其他原因。其一，DESI 确定的中微子质量总和最有可能的值为零——根本没有质量。
更重要的是，当额外的宇宙学数据添加到 DESI 和普朗克数据中时，例如也可以衡量宇宙膨胀率的爆炸恒星目录，质量的上限进一步缩小，小于 0.05 电子伏特Di Valentino 及其同事于 7 月 25 日在 arXiv.org 上报道。爬行空间基本上被消除了，将中微子质量留在炼狱中，如果不提出关于宇宙的新想法，就很难解释这一点。
该论文的另一位作者、意大利特伦托大学的宇宙学家桑尼·瓦格诺齐 (Sunny Vagnozzi) 表示：“如果你从表面上看一切，这是一个巨大的警告……那么显然我们需要新的物理学。”
即使不添加超新星数据，如果认真对待，DESI 结果也会回答一个主要问题：哪种中微子最重？三个中微子质量相当简单地标记为数字 1、2 和 3。在一种称为正常排序的可能情况下，质量 3 比质量 1 和 2 重。在所谓的倒序排序中，质量 1 和 2 更重3.另一种表述问题的方式：是否存在两个相对较轻的中微子质量和一个稍重的中微子质量，或者两个重的和一个轻的中微子质量？
如果倒序正确，振荡实验意味着中微子质量和将超过 0.1 电子伏特。 DESI 将中微子质量压缩到 0.07 电子伏以下，不仅使正常排序几乎没有余地，而且似乎也基本上排除了倒序。
“这就是为什么每个人都太过分了，”DESI 合作组织成员、巴塞罗那大学的宇宙学家 Licia Verde 说道。
取消倒序将是一件大事，会对大量理论和实验产生影响。这种排序是如此重要，以至于科学家们设计了一个巨大的实验——中国江门地下中微子观测站，计划于今年启动——旨在测量它。但粒子物理学家并没有取消他们的计划，也没有人开香槟庆祝倒序的终结。
原因是DESI的质量上限超出了预期。 “这太好了，”加州大学圣地亚哥分校的宇宙学家丹尼尔·格林说。
他说，考虑到 DESI 收集的数据量，科学家们预计上限会是两倍多，将质量固定在约 0.18 电子伏特以下，从而使倒序存在的可能性得以实现。事实上，预计 DESI 无法排除倒序（如果倒序不正确），直到它又收集了几年的数据。
这让物理学家怀疑还有其他事情发生。
中微子可能有负质量吗？
如果科学家认真对待 DESI 对零中微子质量的偏好，那么有几种方法可以解释它，尽管实验室中的中微子无可争议地具有质量。中微子可以衰变成其他粒子或相互湮灭，格林和同事在一篇被接受的论文中建议高能物理杂志。或者中微子的质量可能会随着时间的推移而变化。
但还有一种比零质量更疯狂的可能性：负质量。格林怀疑“所有这些有趣的行为都是因为数据实际上走错了方向。 [数据]看到了中微子的‘相反’。”即具有负质量的中微子。
虽然具有正质量的中微子使宇宙不那么块状，但 DESI 和普朗克可能会发现相反的情况，即宇宙比预期更块状，这意味着它在不同地方的物质密度变化大于预测。这可以用具有负质量的奇异中微子来概念化。
在 DESI 分析中，科学家不允许中微子质量变为负值。也许 DESI 降到零只是因为它被禁止降低。
因此格林和同事调整了分析以允许负质量。研究人员报告称，分析结果为 –0.16 电子伏特。
其他人也发现了对负中微子质量的类似支持。英国达勒姆大学的宇宙学家威廉·埃尔伯斯说，这是“有点疯狂的说法”。物理学中的负质量很难定义并纳入理论，导致方程中出现各种冲突。 “我们实际上并不认为中微子质量是负的，”埃尔伯斯说。相反，“这是数据中或我们对宇宙如何演化做出的假设中出现的某些问题的症状。”
埃尔伯斯和同事认为，负质量可能是暗能量的海市蜃楼。宇宙的标准图景假设暗能量具有恒定的密度，即所谓的宇宙常数。虽然 DESI 数据暗示暗能量是动态的——它的密度随时间变化——但 DESI 的中微子质量数是在假设宇宙学常数的情况下确定的。
允许动态暗能量解析中微子质量Elbers 及其同事于 7 月 15 日在 arXiv.org 上在线报道了这一问题。 “它实际上将最可能的值从负面和非物理的东西转移到了正确的东西上，”埃尔伯斯说：0.06 电子伏特。
但并非所有动态暗能量都是相似的。最简单的动态暗能量模型，如 DESI 和 Elbers 及其同事使用的模型，允许暗能量“幻影”，理论上这是一种意想不到的情况。在科学家最喜欢的理论中，暗能量的密度要么保持不变，要么随着空间的膨胀而稀释。有了幻影暗能量，密度反而增加。这种类型的暗能量被认为不太可信——很难用标准物理理论来解释。
Vagnozzi、Di Valentino 及其同事在他们的论文中报告说，使用禁止暗能量变化幻象的模型实际上使中微子质量失配变得更糟。
这使得科学家们无法从宇宙学上解释为什么中微子质量比预期的要小。
普朗克数据的问题
一些科学家没有重新思考宇宙，而是重新审视这些数据。
一些研究人员怀疑，宇宙微波背景数据中的微妙问题可能会扭曲事物。特别是，普朗克的数据显示出意想不到的过度引力透镜效应，宇宙微波背景光的弯曲有助于科学家推断中微子质量。
负质量中微子也会产生更多的引力透镜效应。事实上，早期使用普朗克数据结合 DESI 前身来估计中微子质量的尝试也得出了意想不到的小估计值。也许普朗克就是问题所在。
普朗克数据的更新版本使用不同的方法绘制宇宙微波背景图，减少了这种过度的引力透镜效应。
基于更新的普朗克数据的分析，并删除两个异常值 DESI 数据点，消除了负中微子质量的证据，Escudero 及其同事于 7 月 18 日在 arXiv.org 在线报道
埃斯库德罗说，鉴于此，“现在断定我们从实验室获知的中微子质量最小值与宇宙学中缺乏中微子质量检测之间存在紧张关系似乎还为时过早。”
但是，他指出，分析仍然没有发现中微子质量为正的证据。
直接测量中微子质量
中微子质量的宇宙学测量依赖于各种观测，并且取决于科学家宇宙理论的正确性。如果任何地方有一个缺失的环节，那么中微子质量的估计就会变得不可靠。因此，未来，科学家希望能够在地球上直接测量中微子质量。
德国卡尔斯鲁厄的 KATRIN 实验旨在研究中微子质量对氚，氢的一种重形式（序列号：4/21/21）。当氚的原子核衰变时，它会发射出一个反中微子（中微子的反物质孪生）和一个电子。 KATRIN 旨在探测反中微子质量对衰变中释放的电子能量的影响。
但是，虽然这样的实验理论上可以测量中微子质量，但它们的结果远不如宇宙学那么精确。中微子质量的总和必须是小于 1.35 电子伏特KATRIN 研究人员 6 月份在 arXiv.org 上在线报告称，置信度为 90%。这比宇宙学对质量的限制要弱得多。因此，尽管直接实验被认为更可靠，但它们并没有真正告诉科学家很多他们还不知道的事情。未来的直接实验可能会进一步将中微子质量归零，但如果中微子质量像宇宙学家认为的那样小，则需要一些重大的技术进步。
尽管如此，更好地理解宇宙中一些最神秘的粒子的可能性还是很诱人的。 “我觉得特别有趣的是，抬头仰望天空可以告诉你一些关于一个如此轻、如此微小、如此小、如此亚原子的粒子的信息，”维德说。
维德说，如果科学家能够找到地球上的中微子和太空中的中微子之间的一致性，他们就会更加相信他们的宇宙理论是正确的。 “如果你能通过结合直接观察无限小的实验和观察非常大的实验来构建一幅所有东西都联系在一起的图画，那么它也为图画本身提供了支持。”
