中微子的質(zhì)量之謎

中微子是一種不帶電荷的基本粒子，它們幾乎不與物質(zhì)發(fā)生相互作用，可以輕易地穿過我們的身體，甚至是穿過整個(gè)地球。因此，中微子也常被稱為“幽靈粒子”。

中微子有三種“味”：電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它們可以在飛行途中發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種現(xiàn)象被稱為中微子振蕩。

根據(jù)相對論，只有無質(zhì)量的粒子才能以光速傳播，時(shí)間對光速運(yùn)動(dòng)的粒子而言是“靜止”的，也就不可能發(fā)生轉(zhuǎn)變。而振蕩則意味著中微子狀態(tài)發(fā)生了變化，說明它們必須具有質(zhì)量。但物理學(xué)家不知道的是，中微子的確切質(zhì)量究竟是多少。

現(xiàn)在，一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究表明：卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）通過精準(zhǔn)的測量，將中微子的質(zhì)量上限進(jìn)一步縮減至0.45eV（電子伏特）——大約是電子質(zhì)量（511000 eV）的百萬分之一。

β衰變

KATRIN的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，是通過極其精密的實(shí)驗(yàn)裝置，來捕捉中微子留下的線索，從而測定其質(zhì)量。這類探索可追溯到20世紀(jì)初的一個(gè)重要物理現(xiàn)象——β衰變。

1900年，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)某些原子核在β衰變中會(huì)釋放出電子并轉(zhuǎn)化為其他元素，但這些電子的能量卻并不固定。為了解釋這種能量“缺口”，理論物理學(xué)家泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出，可能還存在一種看不見的粒子，隨電子一同釋放，并帶走一些能量。

幾年后，費(fèi)米（Enrico Fermi）將這種粒子命名為“中微子”。他指出：對于特定的原子核，電子的最大能量可以幫助揭示中微子的質(zhì)量。

KATRIN如何稱重中微子？

自20世紀(jì)40年代起，物理學(xué)家便嘗試?yán)?strong>氚的β衰變來研究中微子的質(zhì)量。氚是一種放射性氫同位素，其原子核由一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子組成，在衰變過程中會(huì)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)反中微子（與中微子質(zhì)量相同）。

KATRIN正是基于這一過程設(shè)計(jì)的精密實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)核心是一臺(tái)重達(dá)200噸的金屬裝置，包括一根充滿氣態(tài)氚的長管，用來產(chǎn)生大量衰變事件。

在實(shí)驗(yàn)中，衰變釋放出的反中微子會(huì)直接穿過裝置消失不見，而電子則在強(qiáng)度高達(dá)地球磁場5萬倍的磁場中螺旋運(yùn)動(dòng)，并被引導(dǎo)進(jìn)入一個(gè)長23米、寬10米的金屬腔體。

隨后，腔體中施加的電場會(huì)阻止電子的運(yùn)動(dòng)，從而攔截掉低能電子，只有能量最高的電子才能抵達(dá)探測器。在每秒約1000億個(gè)電子中，只有極少數(shù)能成功穿越并被探測器捕捉。

通過不斷調(diào)整電場強(qiáng)度并記錄成功穿越的電子數(shù)量，研究人員可以重建電子的能譜高端，從中推算中微子的質(zhì)量上限。

在2022年，KATRIN曾報(bào)告將中微子質(zhì)量上限壓縮至0.8eV。如今，團(tuán)隊(duì)分析了在259個(gè)測量日中收集的3600萬個(gè)電子事件，將上限進(jìn)一步降低為0.45eV，幾乎削減了一半。

這也是目前為止實(shí)驗(yàn)室直接測量中微子質(zhì)量的最精確結(jié)果。

更低的宇宙學(xué)上限

值得一提的是，在上個(gè)月，在美國物理學(xué)會(huì)的全球物理峰會(huì)上，有研究人員報(bào)告稱，使用暗能量光譜儀（DESI）收集的數(shù)據(jù)，將三種中微子的質(zhì)量總和限制在0.064eV以下——這遠(yuǎn)低于KATRIN給出的數(shù)值。

那么，這是否意味著KATRIN的實(shí)驗(yàn)“沒必要”了？并非如此。

首先，DESI的數(shù)據(jù)所給出的質(zhì)量上限，已經(jīng)非常接近中微子振蕩所設(shè)定的理論下限（即0.058eV）。更值得注意的是，DESI的最佳擬合值居然是一個(gè)負(fù)值——一個(gè)在物理上毫無意義的結(jié)果。

這一異常結(jié)果暴露了目前主流的標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)模型（ΛCDM模型）可能并不完善。ΛCDM認(rèn)為暗能量是真空的一種固有屬性，即所謂的“宇宙學(xué)常數(shù)”。但如果DESI的研究人員將暗能量模擬為隨時(shí)間的推移而減弱，那么他們對中微子質(zhì)量總和的估計(jì)就會(huì)變得更為合理，不再出現(xiàn)“負(fù)質(zhì)量”這種怪異結(jié)果。

KATRIN的未來

這樣的局面讓KATRIN實(shí)驗(yàn)顯得愈發(fā)珍貴。作為一個(gè)能夠直接測量中微子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，KATRIN或許能指導(dǎo)宇宙學(xué)家尋找更好的模型。

而且，它的潛力遠(yuǎn)未觸及上限。目前，研究團(tuán)隊(duì)還在持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并計(jì)劃在今年晚些時(shí)候完成全部數(shù)據(jù)收集。研究人員表示，他們希望到那時(shí)候，當(dāng)他們完成了累計(jì)達(dá)1000個(gè)測量日的數(shù)據(jù)分析后，能將中微子的質(zhì)量上限進(jìn)一步壓縮至0.3eV，甚至0.2eV。而那時(shí)，最終結(jié)果的靈敏度將提高50%左右。

#參考來源：

https://www.science.org/content/article/neutrino-remains-too-light-be-weighed-and-s-oddly-exciting

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01157-1

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq9592

https://www.katrin.kit.edu/1031.php

#圖片來源：

封面圖&首圖：Markus Breig/KIT