光是中微子吗?答案比以往任何时候都更接近

2022-02-17 04:16:53

物理学家已经朝着确定中微子的质量迈出了一步,中微子可能是所有基本粒子中最神秘的。

德国卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验团队报告说,中微子的最大质量为0.8电子伏。长期以来,研究人员一直有间接证据表明,这些粒子应该比1ev轻,但这是首次在直接测量中显示出这一点。研究结果发表在2月14日的《自然物理1》上。

KATRIN在20192年报告了之前的1.1 eV上限。到目前为止,这项实验只能给质量设定一个上限。但研究人员表示,一旦它在2024年完成数据收集,它可能能够进行明确的测量,这是世界上唯一能够做到这一点的实验。

德国慕尼黑工业大学的理论粒子物理学家Julia Harz说:“如果KATILN实验是在达到0.2 eV的灵敏度目标之前精确确定中微子质量,这将是非常令人兴奋的。”她补充说,特别是,它可以为如何改进宇宙学理论提供指导。

卡特林衡量氢的放射性同位素氚核衰变产生的中微子。当氚原子核转变成氦原子核时,它会喷射出一个电子和一个中微子(或者更准确地说,是一个质量相等的粒子,称为反中微子)。中微子消失了,但电子被引导到一个23米长、形状像齐柏林飞艇的钢制真空室,在那里它的能量被精确测量。

电子携带着氚衰变过程中释放的几乎所有能量,但有些能量随着中微子而丢失。这个不足的值可以用来计算粒子的质量。

KATRIN 2019年的结果基于当年4月和5月的首次实验,当时氚束以其全部强度的四分之一运行。最新结果基于2019年晚些时候第一次全力以赴的跑步数据。这些数据意味着上限为0.9 eV,与之前的结果相结合时,上限降至0.8 eV。

虽然估计已经收紧,但仍然不可能报告中微子质量的下限。卡尔斯鲁厄理工学院的粒子物理学家、卡特林成员马格纳斯·施洛瑟说,数据仍然不排除质量为零的可能性。但其他证据,尤其是来自宇宙学观测的证据表明,中微子不可能是无质量的。

即使在2024年之后,卡特林仍有可能无法测量中微子的最小质量:如果质量小于0.2eV,它可能超出实验的灵敏度。

Schlösser将这一探索比作西班牙征服者寻找一座神话般的黄金之城。“这就像在寻找黄金国,”他说。“你缩小了找到它的可能性。”