70米長的KATRIN實驗裝置及其主要組件氚源、主光譜儀和探測器。圖片來源：Leonard K?llenberger/KATRIN Collaboration
科技日報實習記者 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地時間14日消息，據發表在著名期刊《自然·物理學》上的數據，科學家已獲得了中微子質量新上限：0.8 eV，首次將中微子的質量推向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”的質量。
可以說，中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學中，它們在大尺度結構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量令它們與眾不同，表現出了超出我們當前理論的新的物理現象。如果沒有中微子質量尺度的測量，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。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量。這需要一項重大的技術努力：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量。
2019年開始科學測量后，數據的精度在過去兩年里不斷提高。該實驗的共同發言人表示，KATRIN是一項技術要求最高的實驗，現在運行得非常完美。信號速率的提高和背景速率的降低是新結果的決定性因素。
第一年的測量數據和基于一個極小的中微子質量模型的實驗數據完全匹配：由此可以確定0.8 eV的中微子質量的新上限。這是直接中微子質量實驗首次進入宇宙學和粒子物理上重要的sub-eV質量范圍，科學家假設中微子的基本質量標度在這個范圍內。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實驗的共同發言人和分析協調員對未來非常樂觀：“對中微子質量的進一步測量將持續到2024年底。為了實現這一獨特實驗的全部潛力，我們不僅將穩步增加信號事件的統計數據，還將不斷開發和安裝改進措施。”
一種新探測器系統（TRISTAN）的開發在這方面發揮了特殊的作用，它將允許KATRIN實驗從2025年開始著手尋找質量在千電子伏特范圍內的“無菌”中微子——這也是宇宙中神秘暗物質的候選者，已經在許多天體物理和宇宙學觀測中被發現，但其粒子物理性質仍是個謎。
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