0.8電子伏特！中微子質(zhì)量上限又有新紀錄

科技日報北京2月14日電 （實習記者張佳欣）德國卡爾斯魯厄理工學院的國際氚中微子實驗（KATRIN）打破了中微子物理學中與粒子物理學和宇宙學相關(guān)的一個重要“界限”——1電子伏特（eV）。

德國馬克斯普朗克物理研究所當?shù)貢r間14日消息，據(jù)發(fā)表在著名期刊《自然·物理學》上的數(shù)據(jù)，科學家已獲得了中微子質(zhì)量新上限：0.8 eV，首次將中微子的質(zhì)量推向sub-eV級，這使得KATRIN能以前所未有的精度限定了這一“宇宙輕量級”的質(zhì)量。

研究人員在KATRIN實驗裝置的主光譜儀中安裝電極。（圖片來源：約阿希姆·沃爾夫/德國卡爾斯魯厄理工學院）

可以說，中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學中，它們在大尺度結(jié)構(gòu)的形成中扮演著重要角色；而在粒子物理學中，它們微小但非零的靜止質(zhì)量令它們與眾不同，表現(xiàn)出了超出我們當前理論的新的物理現(xiàn)象。如果沒有中微子質(zhì)量尺度的測量，我們對宇宙的理解將會變得不完整。

這就是KATRIN實驗所面臨的挑戰(zhàn)。該實驗已成為世界上對中微子最靈敏的測量“天平”。它利用氚（一種不穩(wěn)定的氫同位素）的β衰變，通過衰變過程中釋放的電子的能量分布來確定中微子的質(zhì)量。這需要一項重大的技術(shù)努力：這個70米長的實驗裝置容納了世界上最強的氚源，以及一臺巨型光譜儀，用于以前所未有的精度測量中微子的質(zhì)量。

2019年開始科學測量后，數(shù)據(jù)的精度在過去兩年里不斷提高。該實驗的共同發(fā)言人表示，KATRIN是一項技術(shù)要求最高的實驗，現(xiàn)在運行得非常完美。信號速率的提高和背景速率的降低是新結(jié)果的決定性因素。

第一年的測量數(shù)據(jù)和基于一個極小的中微子質(zhì)量模型的實驗數(shù)據(jù)完全匹配：由此可以確定0.8 eV的中微子質(zhì)量的新上限。這是直接中微子質(zhì)量實驗首次進入宇宙學和粒子物理上重要的sub-eV質(zhì)量范圍，科學家假設(shè)中微子的基本質(zhì)量標度在這個范圍內(nèi)。美國北卡羅來納大學中微子專家約翰·威爾克森評論說：“粒子物理界為KATRIN實驗打破了1電子伏特的界限而感到興奮。”

KATRIN實驗的共同發(fā)言人和分析協(xié)調(diào)員對未來非常樂觀：“對中微子質(zhì)量的進一步測量將持續(xù)到2024年底。為了實現(xiàn)這一獨特實驗的全部潛力，我們不僅將穩(wěn)步增加信號事件的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，還將不斷開發(fā)和安裝改進措施。”

一種新探測器系統(tǒng)（TRISTAN）的開發(fā)在這方面發(fā)揮了特殊的作用，它將允許KATRIN實驗從2025年開始著手尋找質(zhì)量在千電子伏特范圍內(nèi)的“無菌”中微子——這也是宇宙中神秘暗物質(zhì)的候選者，已經(jīng)在許多天體物理和宇宙學觀測中被發(fā)現(xiàn)，但其粒子物理性質(zhì)仍是個謎。