中微子有多重？神秘粒子称重竞赛升温

中微子有多重？神秘粒子称重竞赛升温

中微子是宇宙中最神秘的粒子之一，其质量的精确测量一直是物理学界的重要课题。目前，德国的KATRIN实验是唯一能够进行此类测量的设施，但其他实验室正在开发替代方法，以期获得更高的精度。本文将介绍当前中微子质量测量的最新进展，以及几种有潜力的新兴技术。

2024年3月1日，物理学家们正在加大努力测量中微子的质量，中微子可能是所有基本粒子中最神秘的一种。目前，世界上只有一个实验有机会进行这样的测量——德国巨大的齐柏林飞船形状的卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）探测器。但其他几个实验室的研究人员一直在开发替代方法，本周他们聚集在意大利热那亚，在一个名为NuMass 2024的研讨会上交换意见。

三个团队表示，他们已经建立了小规模实验，表明他们的技术可能有效。另一个小组正在研究一种可能更强大的方法。研究人员希望建造这些设备的放大版本，最终可以与KATRIN竞争，甚至对其进行改进。

在最大尺度下对宇宙结构的观察表明，中微子非常轻，质量至多为0.12电子伏特——比一个电子的质量小400万倍。如果正确的话，这样的估计将使中微子的真实质量超出卡特琳的范围。意大利米兰-比卡卡大学的物理学家马特奥·博尔盖西在研讨会上介绍了他的团队在另一项实验技术上的进展，他说:“我们担心卡特林虽然是一项伟大的实验，但可能无法确定质量。”“我们必须做好准备。”

微小质量

为了衡量中微子的重量，物理学家使用了放射性同位素的衰变。在这种衰变中产生的中微子逃逸而未被发现，但它们的质量可以通过测量剩余粒子的能量来计算。

卡特琳利用氚的“β衰变”，氚是氢的一种重放射性同位素。当氚衰变时，其原子核中三个中子中的一个转化为质子，喷射出一个电子（也称为β粒子）和一个中微子（准确地说，是一种质量相同的粒子，称为反中微子）。衰变释放出众所周知的总能量，其中大部分能量被电子和中微子带走，以动能和两个粒子质量中捕获的能量的形式存在。中微子可以产生一系列可能的能量，但至少它必须携带其质量中包含的量。KATRIN的目标是通过测量相应电子的全范围能量来估计最小值，这可以根据电子在齐柏林飞船状结构中的停止位置来确定。

到目前为止，卡特林的最佳结果是为中微子的质量设定了0.8 eV的上限，其最佳灵敏度为0.2 eV。因此，当KATRIN合作组织在今年晚些时候发布其最终结果时，只有当质量在0.2至0.8 eV之间时，它才能进行明确的测量。西班牙巴伦西亚粒子物理研究所的理论粒子物理学家奥尔加·梅纳说，这样的结果将与宇宙学的估计截然不同。梅纳说，要使中微子的质量在卡特林可以测量的范围内，需要“奇异的、非平凡的物理学”，比如影响中微子的以前未知的基本力，或者爱因斯坦引力理论的变化。

电子俘获

物理学家希望开发一种技术，最终将灵敏度提高到更轻的质量，并提供实验之间的交叉检查。德国海德堡大学的物理学家Loredana Gastaldo表示，NuMass研讨会的召开恰逢该领域的一个有趣时刻，因为其中一些替代品已经成熟到可以进行全面实验的程度。一种选择是利用钬163的衰变，钬163是稀土元素钬的放射性同位素。

与氚不同，钬-163不经历β衰变。相反，原子中的一个电子被原子核中的一个质子“俘获”。这将质子转化为中子，释放出中微子和光子。被捕获的电子在原子的电子构型中留下一个缺口，其他电子迅速重新排列自己，释放能量。如果最初的钬原子嵌入材料中，所有这些能量都将被捕获，产生的少量热量可以用足够灵敏的检测器进行测量。

1981年，欧洲粒子物理研究所（CERN）的理论物理学家Á·阿尔瓦罗·德·鲁朱拉在巴西里约热内卢逗留期间首次想到使用这种被称为电子俘获的方法。他说，当时他正在科帕卡巴纳附近的海滩上，突然从观察附近的舒格洛夫山的形状中获得了灵感，该山具有“电子捕获光谱的形状”（该图显示了可以作为衰变余热测量的能量范围）。

经过一些初步尝试后，物理学家放弃了这一想法，但在20世纪90年代末，加斯塔尔多和另一位物理学家米兰-比科卡大学的安吉洛·努乔蒂再次提出了这一想法。de Rújula说，尽管两个团队的资金和人员都严重不足，但他们“英勇”地工作了很多年，却很少得到认可。

两组都采用不同的方法将钬-163注入嵌入敏感热探测器的金属薄片中，探测器的温度接近绝对零度。两个团队都表明他们可以高精度地测量能量。2019年，加斯塔尔多和她的合作者将中微子的质量上限定为150电子伏特，他们目前正在努力将其提高10倍。“我们现在可以证明钬也在游戏中，”Gastaldo说。

替代方法

剑桥麻省理工学院（MIT）的物理学家Juliana Stachurska在研讨会上介绍了另一种方法。在一项名为“项目8”的实验中，她和她的合作者将低密度氚气体放入一个磁瓶中，该磁瓶利用磁场捕获β衰变中的电子。在去年发表的工作中，研究人员表明他们可以通过分析无线电波高精度地测量电子能量。该团队计划改用原子氚，这种方法更具挑战性，但会消除一些实验不确定性，这些不确定性限制了之前实验的精度，包括卡特林。“以前从来没有人研究过原子氚，”Stachurska说。

项目8实验正在测试一种测量中微子质量的新技术。致谢:亚历克·林德曼

项目8的发言人、麻省理工学院物理学家约瑟夫·福马吉奥表示，他希望有一天能建立一个大规模的实验版本，将灵敏度降至0.04电子伏——小到足以超过宇宙学实验的严格限制。

更进一步，一项名为托勒密的拟议实验计划使用固态而非气态氚附着在一种称为石墨烯的原子级薄碳材料薄膜上。这将使研究人员能够装入更多的氚，并获得更多的放射性辐射。

Borghesi说，目前，社区正在急切地等待KATRIN的最终结果。即使在该实验达到其设计灵敏度的极限后，相关研究人员仍计划继续推进并升级该实验。卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家马格努斯·施洛瑟表示，他在研讨会上传达的主要信息是“卡特琳不会在当前活动结束后关门”。