在一项新的研究中，研究人员在理解爆炸的恒星如何帮助揭示中微子(神秘的亚原子粒子)如何秘密地与自己相互作用方面迈出了重要的一步。
作为一种鲜为人知的基本粒子，中微子很少与正常物质相互作用，而是以几乎光速的速度在不可见的情况下穿行。这些幽灵般的粒子比宇宙中所有的原子都多，而且总是无害地穿过我们的身体，但由于它们的质量低，不带电荷，所以很难找到和研究它们。
但在今天发表在《物理评论快报》上的一项研究中，俄亥俄州立大学的研究人员建立了一个新的框架，详细说明了超新星——预示着坍缩恒星死亡的大规模爆炸——如何被用作研究中微子自我相互作用如何导致宇宙中巨大的宇宙学变化的有力工具。
“中微子与典型物质的相互作用率非常小，因此很难探测到它们并测试它们的任何特性，”该研究的主要作者、俄亥俄州立大学物理学研究生张博文(Po-Wen Chang)说。“这就是为什么我们必须利用天体物理学和宇宙学来发现关于它们的有趣现象。”
中微子被认为对早期宇宙的形成很重要，尽管科学家们已经了解到它们的来源有很多，比如核反应堆或垂死恒星的内部，但中微子仍然让科学家们感到困惑。
但是，通过计算自相互作用如何影响超新星1987A(现代观测到的最近的超新星)发出的中微子信号，研究人员发现，当中微子与自身相互作用时，它们会形成一种紧密耦合的流体，并在相对论流体动力学下膨胀。相对论流体动力学是物理学的一个分支，研究流体如何以两种不同的方式之一影响固体物体。
在所谓的“爆发流出”的情况下，研究小组的理论是，就像在太空真空中爆开一个高压气球会把能量向外推一样，爆发会产生一种向各个方向移动的中微子流体。第二种情况被描述为“风流出”，它想象一个有许多喷嘴的高压气球，其中中微子以更恒定的流速逸出，类似于稳定的风射流。
Chang说，虽然风流出理论更有可能发生在自然界中，但如果爆发的情况得以实现，科学家就可以看到从超新星发出的新的可观测中微子特征，从而对中微子的自我相互作用具有前所未有的灵敏度。
理解这些机制如此重要的原因之一是，如果中微子像流体一样运动，那就意味着它们是一起运动的，作为一个集体。如果中微子作为一个整体的性质与单独的性质不同，那么超新星的物理性质也可能发生变化。但这些变化仅仅是由于爆发情况还是流出情况，还有待观察。
Chang说:“超新星的动力学是复杂的，但这个结果是有希望的，因为有了相对论流体动力学，我们知道现在在理解它们如何工作的道路上有一个岔路口。”
不过，在科学家能够排除超新星内部爆发的可能性之前，还需要做进一步的研究。
俄亥俄州立大学物理学和天文学教授、该研究的合著者约翰·比科姆(John Beacom)说，尽管存在这些不确定性，但这项研究是一个巨大的里程碑，它回答了几十年来的天体物理学问题，即中微子从超新星喷出时是如何散射的。这项研究发现，在爆发的情况下，即使使用来自SN 1987A的稀疏中微子数据和保守的分析假设，对中微子自相互作用的空前灵敏度也是可能的。
比科姆说:“35年来，这个问题基本上没有受到影响。“因此，尽管我们无法完全解决中微子如何影响超新星，但我们感到兴奋的是，我们能够向前迈出实质性的一步。”
在未来的道路上，研究小组希望他们的工作将被用作进一步研究中微子自相互作用的垫脚石。然而，由于银河系每世纪只发生大约两到三颗超新星，研究人员可能还要再等几十年才能收集到足够的新中微子数据来证明他们的想法。
Chang说:“我们一直在祈祷另一颗银河系超新星在某个地方很快发生，但我们能做的最好的事情就是在它发生之前尽可能多地建立在我们所知道的基础上。”
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