宇宙学和中微子实验对中微子质量及质量序的限制

摘要

1998年T.Kajita带领的超级神冈探测器实验和2001年A.McDonald带领的萨德伯里中微子观测站实验分别发现了大气和太阳中微子振荡现象，证明了中微子有非零的静止质量。目前，中微子振荡实验已经能够精确地测量两组中微子质量平方差，这导致了两种中微子质量顺序，即，正序对应m1＜m2＜m3，逆序对应m3＜m1＜m2。在粒子物理中，无中微子双贝塔衰变实验不仅能确认中微子的性质，而且能确定中微子的质量序。在宇宙学中，有质量的中微子在背景和扰动尺度上都影响着宇宙的演化，因此，宇宙微波背景辐射和大尺度结构观测的数据提供着关于中微子质量的信息，并且根据中微子振荡的实验结果，中微子质量和在正序时不低于0.06eV，在逆序时不小于0.1eV，若限制结果小于0.1eV，逆序将被排除。本文在标准的ΛCDM宇宙学模型中引入能够通过符号表示中微子质量顺序的序参数，利用Planck2015+BAO+SN+H0的宇宙学数据，加上中微子振荡和无中微子双贝塔衰变的数据，采用马尔科夫链-蒙特卡洛方法，对中微子的质量及质量序进行限制。 论文中，我们首先阐述了课题的研究背景、研究内容及章节安排，之后介绍了宇宙学基础背景知识，同时我们也展示了常用的背景演化的几何观测和结构增长的动力学观测。然后我们介绍了中微子宇宙学的基本理论，其中包括中微子在宇宙中的演化，中微子的宇宙学效应。接下来我们介绍了在粒子物理中中微子的发现历程，中微子振荡和无中微子双贝塔衰变。我们的主要工作在第四章。在第四章中，首先我们介绍了进行贝叶斯分析的方法，主要对比了在使用两组不同数据的情况下，对中微子质量及质量序的限制结果，探讨了不同先验对中微子质量序的影响。最后是我们对本文研究内容的总结与展望。

目录

引 言

1 宇宙学的基本理论及宇宙学观测

1.1 宇宙的动力学演化

1.2 宇宙学观测

1.2.1 Ia型超新星

1.2.2 重子声学振荡（BAO）

1.2.3 哈勃参量观测

1.2.4 宇宙微波背景

2 中微子宇宙学

2.1 中微子的宇宙学演化

2.2 中微子的宇宙学效应

3 中微子及中微子实验

3.1 中微子振荡实验

3.2 无中微子双贝塔衰变

4 对中微子质量及质量序的限制

4.1 贝叶斯证据

4.2 宇宙学数据对中微子质量及质量序的限制

4.3 全部数据对中微子质量及质量序的限制

4.4 小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢