地大新聞網(wǎng)訊（通訊員 黃恬恬）近日，我校數(shù)學(xué)與物理學(xué)院黃國(guó)遠(yuǎn)教授與中國(guó)科學(xué)院高能物理所周順研究員合作，提出了一種探測(cè)宇宙中微子背景的新方案。該方法利用中微子背景與分子的參量熒光效應(yīng)，捕捉來(lái)自早期宇宙大爆炸的中微子遺跡信號(hào)，相關(guān)研究成果于2026年2月24日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）。
宇宙誕生于一場(chǎng)大爆炸。在大爆炸發(fā)生1秒之后，一類(lèi)基本粒子——中微子——便從熾熱的宇宙等離子體中退耦產(chǎn)生，形成了宇宙中微子背景。如今，距離大爆炸約138億年，這些遺跡中微子已經(jīng)冷卻到了1.95K（?271.2攝氏度），且由于中微子只發(fā)生弱相互作用，使得它們極難被探測(cè)到。相比之下，宇宙微波背景直到大爆炸38萬(wàn)年后才產(chǎn)生，而這一輻射早在1964年被美國(guó)射電天文學(xué)家阿諾?彭齊亞斯和羅伯特?威爾遜發(fā)現(xiàn)，相關(guān)發(fā)現(xiàn)也斬獲了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
這項(xiàng)研究工作另辟蹊徑，提出利用宇宙背景中微子與低溫原子或分子系統(tǒng)的相干散射，誘導(dǎo)其產(chǎn)生參量熒光效應(yīng)（νi + M → νj + γS + M），通過(guò)探測(cè)輻射的紅外光子γS捕獲遺跡中微子信號(hào)。當(dāng)中微子傳遞給分子能級(jí)的能量與分子的能級(jí)差剛好匹配的時(shí)候，會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，極高地提升該過(guò)程的反應(yīng)概率，此時(shí)的事例率會(huì)正比于體系相干時(shí)間的平方。對(duì)于紅外波段的能級(jí)，相干時(shí)間主要是由系統(tǒng)中的純退相干時(shí)間決定的。如果采用10微秒相干時(shí)間和40立方厘米靶體積，年事例率可以高達(dá)8次。同時(shí)，利用共振處的慢光效應(yīng)，還能夠自動(dòng)克服宇宙中微子背景本身的能量彌散，進(jìn)一步提升探測(cè)可行性。
通過(guò)探測(cè)這些遺跡中微子，研究者有望深入了解宇宙誕生后僅數(shù)秒時(shí)的狀態(tài)。這一技術(shù)也有助于揭示中微子自身性質(zhì)的重要信息，包括它們極其微小的質(zhì)量以及馬約拉納屬性。未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與AMO（原子、分子和光學(xué)）領(lǐng)域的專(zhuān)家密切合作，著手驗(yàn)證和構(gòu)思具體的實(shí)驗(yàn)方案。
宇宙中微子背景誘導(dǎo)的參量熒光示意圖。中微子遺跡與介質(zhì)中的分子（或原子）偶極子發(fā)生相干散射，產(chǎn)生可觀(guān)測(cè)的紅外光子信號(hào)。
該研究成果黃國(guó)遠(yuǎn)教授為第一作者，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）為第一單位。研究工作受到中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）“百人計(jì)劃”的支持，以及國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目C類(lèi)的資助。
論文鏈接：https://link.aps.org/doi/10.1103/f4zt-bbzv
（編輯 李銳欣 審稿 陳華文）
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