70米長(zhǎng)的KATRIN實(shí)驗(yàn)裝置及其主要組件氚源、主光譜儀和探測(cè)器。圖片來(lái)源：Leonard K?llenberger/KATRIN Collaboration

科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣

德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國(guó)際氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）打破了中微子物理學(xué)中與粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)相關(guān)的一個(gè)重要“界限”——1電子伏特（eV）。德國(guó)馬克斯普朗克物理研究所當(dāng)?shù)貢r(shí)間14日消息，據(jù)發(fā)表在著名期刊《自然·物理學(xué)》上的數(shù)據(jù)，科學(xué)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(jí)，這使得KATRIN能以前所未有的精度限定了這一“宇宙輕量級(jí)”的質(zhì)量。

可以說(shuō)，中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學(xué)中，它們?cè)诖蟪叨冉Y(jié)構(gòu)的形成中扮演著重要角色；而在粒子物理學(xué)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(dāng)前理論的新的物理現(xiàn)象。如果沒(méi)有中微子質(zhì)量尺度的測(cè)量，我們對(duì)宇宙的理解將會(huì)變得不完整。

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

2019年開(kāi)始科學(xué)測(cè)量后，數(shù)據(jù)的精度在過(guò)去兩年里不斷提高。該實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人表示，KATRIN是一項(xiàng)技術(shù)要求最高的實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在運(yùn)行得非常完美。信號(hào)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(cè)量數(shù)據(jù)和基于一個(gè)極小的中微子質(zhì)量模型的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)首次進(jìn)入宇宙學(xué)和粒子物理上重要的sub-eV質(zhì)量范圍，科學(xué)家假設(shè)中微子的基本質(zhì)量標(biāo)度在這個(gè)范圍內(nèi)。美國(guó)北卡羅來(lái)納大學(xué)中微子專家約翰·威爾克森評(píng)論說(shuō)：“粒子物理界為KATRIN實(shí)驗(yàn)打破了1電子伏特的界限而感到興奮?！?/p>

KATRIN實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人和分析協(xié)調(diào)員對(duì)未來(lái)非常樂(lè)觀：“對(duì)中微子質(zhì)量的進(jìn)一步測(cè)量將持續(xù)到2024年底。為了實(shí)現(xiàn)這一獨(dú)特實(shí)驗(yàn)的全部潛力，我們不僅將穩(wěn)步增加信號(hào)事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，還將不斷開(kāi)發(fā)和安裝改進(jìn)措施?！?/p>

一種新探測(cè)器系統(tǒng)（TRISTAN）的開(kāi)發(fā)在這方面發(fā)揮了特殊的作用，它將允許KATRIN實(shí)驗(yàn)從2025年開(kāi)始著手尋找質(zhì)量在千電子伏特范圍內(nèi)的“無(wú)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(xué)觀測(cè)中被發(fā)現(xiàn)，但其粒子物理性質(zhì)仍是個(gè)謎。

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