中微子僅次于光子作為宇宙第二豐富的粒子，也是宇宙大爆炸時遺留下來的古老遺跡，除了微波背景輻射，宇宙標準模型最后一個未經(jīng)驗證的預言就是中微子背景，那么中微子在宇宙早期是怎樣產(chǎn)生的？它們?nèi)绾文艽罅康谋４嫦聛?？我們?yōu)槭裁刺綔y不到中微子背景？下面我就從宇宙的起源說起。

中微子是怎樣是正反物質(zhì)湮滅中大量存活的

宇宙源于大爆炸，那大爆炸這個想法是咋來的？其實是一個很簡單的推理，自從哈勃說我們這個宇宙不是恒定不變的，星光在紅移空間在膨脹，絕大多數(shù)星系正在遠離我們，而且離我們越遠的星系推行的速度越快。

還不止這些，當你看到一個遙遠星系的時候，因為光速是有限的，所以你看到的是遙遠的過去。那么把時間倒過來，宇宙在過去肯定體積更小、密度更大、溫度也更高，這就有了大爆炸的想法，大爆炸并不是字面上的意思，并沒有什么東西真的爆炸了，其實說的是熱膨脹狀態(tài)，意指宇宙的膨脹。

我們繼續(xù)讓時間倒流，宇宙的密度和溫度會持續(xù)增加，在宇宙38萬年的時候，溫度降低到了中性原子可以穩(wěn)定形成的時候，這時宇宙發(fā)出的第一縷光就是我們常說的微波背景輻射，在這之前由于溫度較高輻射能量可以將中性原子電離，這時的宇宙就是一片等離子體的海洋，充滿了原子核、電子和輻射。如果再往前追溯，宇宙溫度會持續(xù)增加，原子核都無法在這種高溫下穩(wěn)定的結(jié)合在一起，因為一個能量足夠高的光子會把原子核炸開形成自由的質(zhì)子和中子。下圖：

這個時期形成的原子核就是宇宙最終的初始原子，但只有8%的質(zhì)子和中子形成了氦-4，其余的都是單個質(zhì)子也就是氫核。

但是再往前追溯，我們會發(fā)現(xiàn)宇宙中的能量高到光子會自發(fā)的形成形成粒子-反粒子對。

其中包括所有的夸克/反夸克對，所有的輕子/反輕子對，所有的膠子、光子和弱玻色子，以及任何迄今尚未發(fā)現(xiàn)的粒子。當整個可觀測的宇宙被壓縮到一個直徑小于一光年的空間時，這些粒子/反粒子對就會大量存在，在近似平衡狀態(tài)下自發(fā)地產(chǎn)生和湮滅。

上圖可以看到宇宙的這種稠密高溫狀態(tài)不會持續(xù)很長時間。隨著宇宙的膨脹和冷卻，這時的能量再想制造新的粒子-反粒子對會變得越來越困難，而已經(jīng)存在的正反粒子對將繼續(xù)湮滅成光子。但是隨著空間膨脹的越來越大，由于正反粒子的密度被稀釋，粒子很難找到對方，所以湮滅的速度就大幅降低。在同樣的密度下，粒子之間發(fā)生相互作用的幾率取決于粒子的反應橫截面，俗稱大小。

所以正反粒子湮滅的幾率也取決于粒子本身的反應截面，反應截面太小沒有來得及湮滅的粒子就會被永久的“凍結(jié)”（冷卻，損失能量），只要這些粒子能夠保持穩(wěn)定，不會衰變，那么它們就會一直被“保存”到今天。

我們目前知道有三種這樣的粒子及其反粒子有這樣的本事大量存活：中微子！

宇宙中微子背景

中微子有三種口味來匹配三種帶電輕子：電子、μ子和τ子，這三種中微子是已知的最輕、質(zhì)量最低的非零質(zhì)量粒子。最重中微子的質(zhì)量上限仍然比第二輕的電子輕了400多萬倍。

中微子的反應截面依賴于自身的能量，在較低的能量下反應截面會變得非常小。到宇宙誕生大約一秒鐘的時候，中微子和反中微子由于能量降低就停止相互作用，隨著宇宙的膨脹，它們繼續(xù)失去能量并冷卻了下來。上文我們說到中性原子形成以后，光子就會自由的傳播，這就是宇宙微波背景的來源。

但是中微子和光子略有不同。宇宙微波背景(CMB)的光子有一個類似于上圖的能量譜，其峰值溫度為2.725開爾文。

宇宙中微子背景的溫度應該稍微低一點，估計為1.96開爾文，最重要的區(qū)別是：與光子不同，中微子有質(zhì)量！

中微子的質(zhì)量雖小，但比遺留下來的熱能要大的多。根據(jù)中微子的質(zhì)量，它們現(xiàn)在的移動速度應該不超過每秒幾千公里，可能只有每秒幾百公里。

中微子的質(zhì)量和能量告訴我們，它們已經(jīng)充滿了包括銀河系在內(nèi)的所有大尺度結(jié)構(gòu)中。只占暗物質(zhì)總量的一小部分大約為0.3%。

目前我們還不知道怎樣大量有效的探測這些中微子。

為什么無法大量的探測到中微子

我們現(xiàn)在可以探測到少量的中微子，但只有中微子總量的10億分之一。由于中微子現(xiàn)在的能量導致其反應橫截面非常小，又不參與電磁相互作用和強相互作用，只與弱相互作用和引力互動，由于弱相互作用是一種短程力，比原子核的半徑還要小，而中微子的截面想撞上原子核就像，八百里開外想打一直蒼蠅，所以在中微子面前所有東西都是透明的。

探測中微子背景輻射是關(guān)于大爆炸最后一個未經(jīng)驗證的偉大預言，盡管每立方厘米的空間中有數(shù)百個中微子和反中微子，盡管中微子以每秒數(shù)百公里的速度快速在移動，但是中微子能與正常物質(zhì)發(fā)生的唯一相互作用是核反沖，也就是上文所說的撞擊原子核。這種幾率也不足以我們大量的探測中微子背景輻射。

總結(jié)：中微子的其他問題

還有一些關(guān)于中微子的問題，我們很長一段時間認為中微子具有左手態(tài)，也就是說，它們的自旋總是和動量方向相反，或自旋-?。反中微子具有右手態(tài)，自旋總是指向與動量相同的方向或自旋+?。而我們所知道的所有其他半整數(shù)自旋粒子都有自旋±?版本，無論是物質(zhì)和反物質(zhì)。

但中微子不行。這就引發(fā)了人們的猜測，即中微子實際上可能是它們自己的反粒子，被稱為馬約拉納（Majorana）中微子。如果中微子是自己的反粒子，那么就會有一種特殊類型的雙β衰變，但目前還沒有檢測到。

這就是宇宙大爆炸留下的10^90個中微子和反中微子，中微子的特殊性質(zhì)使它們成為宇宙中僅次于光子，第二豐富的粒子。宇宙中每一個質(zhì)子對應了超過10億個中微子。但是這些遺留下來的中微子，構(gòu)成的宇宙中微子背景(CNB)，我們完全探測不到。這也是最后一個未經(jīng)證實的關(guān)于大爆炸的偉大預言:宇宙中微子背景！