近日，东北大学张鑫教授团队在精确宇宙学与中微子物理交叉研究领域取得重要进展。团队综合利用暗能量光谱仪巡天第二批数据发布（DESI DR2）、宇宙微波背景（CMB）、暗能量巡天第五年超新星（DESY5）以及弱引力透镜（DESY1）等多类最新宇宙学观测数据，对动力学暗能量背景下的中微子质量进行了系统研究。研究结果显示，在当前观测数据偏好的动力学暗能量模型中，宇宙学观测表现出约2.7σ的非零中微子质量偏好，中微子总质量约为0.1电子伏特，为利用宇宙学观测实现中微子绝对质量测量提供了新的重要线索。
相关研究成果以“Cosmological preference for a positive neutrino mass at 2.7σ:A joint analysis of DESI DR2,DESY5,and DESY1 data”为题发表于Science China Physics,Mechanics & Astronomy（《中国科学：物理学 力学 天文学》）。东北大学理学院博士研究生杜国宏为论文第一作者，东北大学张鑫教授为通讯作者。东北大学辽宁省宇宙学与天体物理重点实验室为论文第一完成单位。
中微子是标准模型中的基本粒子之一，也是当前粒子物理与宇宙学研究的重要前沿。中微子振荡实验已经证明中微子具有非零质量，但这类实验只能测量不同中微子质量本征态之间的质量平方差，无法直接确定三种中微子的绝对质量。根据现有振荡实验结果，正常质量顺序对应的中微子总质量下限约为0.06电子伏特，而倒质量顺序的下限约为0.10电子伏特。如何精确测量中微子的绝对质量，是理解标准模型之外新物理的重要科学问题。
宇宙学为中微子质量研究提供了独特途径。早期宇宙中的中微子以接近光速运动，随着宇宙膨胀和冷却逐渐表现出有质量粒子的性质。由于中微子具有较强的自由流动效应，会抑制小尺度宇宙结构的形成，因此其质量能够在宇宙微波背景、大尺度结构和弱引力透镜等观测中留下可测量的印记。通过综合分析宇宙从早期到晚期的膨胀历史和结构增长，研究人员能够间接“称量”中微子。
长期以来，宇宙学对中微子质量的研究主要集中于给出质量上限。在标准ΛCDM宇宙学模型下，本项研究利用CMB、DESI、DESY5和DESY1联合数据得到的中微子总质量仍主要表现为上限约束，约为0.085电子伏特；在具有常数暗能量状态方程的wCDM模型中，中微子质量上限进一步收紧至约0.065电子伏特。
不同的暗能量模型下，中微子总质量后验分布。
研究团队进一步考虑了暗能量状态方程随宇宙演化发生变化的动力学暗能量模型。近年来，DESI最新观测结果对动力学暗能量给出了值得关注的统计偏好，即暗能量状态方程可能并非始终保持宇宙学常数对应的w=-1，而是随红移发生演化。在本项研究采用的w0waCDM模型中，联合数据偏好暗能量状态方程从较早时期的w<-1逐渐演化到较晚时期的w>-1。正是这种动力学演化显著改变了中微子质量的宇宙学推断。
研究结果表明，在CMB、DESI、DESY5和DESY1联合分析下，中微子总质量被约束为0.098电子伏特左右，对非零正质量的统计偏好达到约2.7σ。与此同时，动力学暗能量参数与中微子质量之间表现出明显的相关性，说明中微子质量测量与暗能量性质之间存在紧密联系。
研究团队进一步从宇宙膨胀历史角度解释了这一结果的物理机制。宇宙微波背景对最后散射面的角直径距离和声学尺度具有极高精度的测量。如果暗能量随时间演化，晚期宇宙膨胀率会发生变化，从而改变从今天到最后散射面的宇宙学距离。为了保持与CMB观测的一致性，其他宇宙学参数需要进行相应补偿。在当前数据所偏好的动力学暗能量演化模式下，增加中微子总质量可以有效补偿暗能量变化所导致的几何效应，从而使中微子质量的后验分布从接近零的位置向更高质量区域移动。
除暗能量动力学外，有效中微子种类数的变化也是影响这一结果的重要因素。研究中同时将中微子质量和有效种类数Neff作为自由参数。联合数据分析得到的中微子有效种类数Neff的中心值低于标准值，但仍与标准值在统计上相容。较低的有效种类数意味着遗迹中微子数密度可能更低或中微子背景更冷，在这种情况下，为产生相同的晚期宇宙演化行为，需要更大的中微子总质量。因此，中微子有效种类数与中微子总质量之间的相关性也推动了非零质量结果。
弱引力透镜数据在这一结果中也发挥了重要作用。由于有质量中微子会抑制宇宙结构增长，更大的中微子质量通常对应较低的物质聚集幅度。DESY1弱引力透镜数据偏好相对较低的结构聚集参数S8，因此允许更大的中微子质量。研究显示，在加入DESY1数据后，原有中微子质量后验分布中的低质量峰受到明显抑制，从而进一步增强了对非零中微子质量的统计偏好。
为检验结果的可靠性，研究团队进一步开展了多项稳健性检验。通过采用不依赖贝叶斯先验的轮廓似然方法，研究发现最佳拟合中微子总质量约为0.082电子伏特，与马尔可夫链蒙特卡罗分析得到的约0.098电子伏特较为一致；当中微子质量趋近于零时，拟合优度明显下降，表明正质量偏好并非简单由参数边界或先验体积效应造成。
研究同时指出，当前结果对宇宙学模型和观测数据组合仍具有一定依赖性。当将DESY5超新星数据替换为PantheonPlus数据后，动力学暗能量的统计证据相应减弱，中微子质量也重新表现为上限约束。这进一步说明，当前中微子质量的宇宙学测量与动力学暗能量证据之间存在密切联系。
研究团队表示，本项工作的一个重要意义在于揭示了暗能量与中微子物理之间更为紧密的联系。过去，中微子质量与暗能量往往被视为精确宇宙学中的两个相对独立问题，但随着观测精度不断提高，暗能量对宇宙膨胀历史的影响以及中微子对结构增长的作用开始在多类观测中同时显现。未来对中微子绝对质量的高精度测量，需要进一步系统考虑暗能量模型、早期宇宙物理以及结构增长等因素的共同影响。
目前约2.7σ的结果尚不能被视为对中微子质量的最终“发现”，但为宇宙学从过去主要给出中微子质量上限，逐步走向直接测量中微子绝对质量提供了新的重要线索。随着DESI后续数据发布，以及新一代宇宙微波背景、弱引力透镜和大尺度结构观测精度不断提高，未来有望进一步检验动力学暗能量是否真实存在，并更加精确地测量中微子的绝对质量，从而为探索超越粒子物理标准模型和标准ΛCDM宇宙学模型的新物理提供重要依据。
该项研究受到国家自然科学基金重点和面上项目、国家重点研发计划SKA专项项目、中国载人航天工程空间站巡天望远镜CSST项目以及“111计划”等项目支持。
