近日，原子能院核物理研究所团队开展的“超新星中微子测量判定中微子质量顺序的方法”研究取得重要进展，其成果发表在国际知名期刊美国天体物理学杂志《The Astrophysical Journal》(《天体物理学报》)上。该研究提出，可以联合核心塌缩型超新星中微子、引力波和电磁光谱的多信使观测，将原先的中子星质量作为桥梁，来确定中微子的质量顺序。这一成果对揭示中微子的基本性质、探索超新星的爆发机制以及中微子对核合成的影响具有重要意义。文章的通讯作者和第一作者分别为核物理研究所李志宏研究员和李歌星副研究员。
中微子是构成物质世界的基本粒子之一，其不参与电磁和强相互作用，与物质之间的作用通常非常微弱，可以轻松贯穿太阳和地球，由于极难被探测到，又被称为“幽灵粒子”。目前已知的中微子种类包括电子中微子、缪子中微子和陶子中微子，以及它们的反粒子。研究发现，这三种中微子在传播过程中会发生相互转化，这种转化被称为中微子振荡。目前学界仍不清楚三种中微子的质量顺序，这个被称为“质量排序”的难题，是国际粒子物理研究的热点，它不仅关系到中微子本身的性质，还有助于理解中微子的质量起源，对揭开宇宙原初的反物质消失之谜具有重要意义。
为研究“质量排序”难题，原子能院物理所团队选择根据核心塌缩型超新星辐射中微子的特征，来推断中微子的质量顺序。核心塌缩型超新星是大质量恒星死亡时由内部塌缩引发剧烈爆炸的结果，伴随着恒星的爆炸，它还将向外发射极强的中微子冲击波，其在爆发最初的10秒内将发射大约1058个中微子。中微子在向外传播的过程中，各类中微子的数量和能量分布会发生变化，而这一变化与中微子的质量顺序密切相关。这就是能够通过超新星中微子的测量来确定中微子质量顺序的关键。
根据测量结果，中微子质量可能存在的正反两种顺序
正反中微子质量顺序下，每秒探测到的超新星中微子个数及其差别
研究结果发现，在超新星爆发的最初1秒内，中微子质量顺序会影响中微子振荡过程中转化为电子型反中微子的概率。这导致地球上的超新星中微子信号与中微子质量顺序、原中子星的质量之间存在密切关联，因此可以通过超新星中微子信号的时间序列，来推测不同中微子质量顺序下原中子星的质量。由于原中子星的质量可通过天文学手段进行较精准的测量，因此将反推出的质量与测量结果对比，就可以确定中微子的质量顺序。这一成果为将来中微子大科学装置的建设，以及超新星中微子的测量提出了指导性的建议。
该项研究工作获得了国家基金委青年项目、财政部稳定支持等项目的资助。(文、图/核物理研究所 李歌星 李志宏)
