70米長的KATRIN實(shí)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(shí)習(xí)記者 張佳欣
德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國際氚中微子實(shí)驗（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)的一個重要“界限”——1電子伏特（eV）。德國馬克斯普朗克物理研究所當(dāng)?shù)貢r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，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。
可以說，中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學(xué)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(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(shí)驗所面臨的挑戰(zhàn)。該實(shí)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(shí)驗裝置容納了世界上最強(qiáng)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(xué)測量后，數(shù)據(jù)的精度在過去兩年里不斷提高。該實(shí)驗的共同發(fā)言人表示，KATRIN是一項技術(shù)要求最高的實(shí)驗，現(xiàn)在運(yùn)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(shí)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(shí)驗首次進(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)度在這個范圍內(nèi)。美國北卡羅來納大學(xué)中微子專家約翰·威爾克森評論說：“粒子物理界為KATRIN實(shí)驗打破了1電子伏特的界限而感到興奮?！?/p>
KATRIN實(shí)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(jìn)一步測量將持續(xù)到2024年底。為了實(shí)現(xiàn)這一獨(dú)特實(shí)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(jìn)措施?！?/p>
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(shí)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(xué)觀測中被發(fā)現(xiàn)，但其粒子物理性質(zhì)仍是個謎。
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