摘要：中微子是一种不带电荷的基本粒子，它们几乎不与物质发生相互作用，可以轻易地穿过我们的身体，甚至是穿过整个地球。因此，中微子也常被称为“幽灵粒子”。

中微子的质量之谜

中微子是一种不带电荷的基本粒子，它们几乎不与物质发生相互作用，可以轻易地穿过我们的身体，甚至是穿过整个地球。因此，中微子也常被称为“幽灵粒子”。

中微子有三种“味”：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们可以在飞行途中发生转变，这种现象被称为中微子振荡。

根据相对论，只有无质量的粒子才能以光速传播，时间对光速运动的粒子而言是“静止”的，也就不可能发生转变。而振荡则意味着中微子状态发生了变化，说明它们必须具有质量。但物理学家不知道的是，中微子的确切质量究竟是多少。

现在，一项新发表于《科学》杂志的研究表明：卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）通过精准的测量，将中微子的质量上限进一步缩减至0.45eV（电子伏特）——大约是电子质量（511000 eV）的百万分之一。

β衰变

KATRIN的实验目标，是通过极其精密的实验装置，来捕捉中微子留下的线索，从而测定其质量。这类探索可追溯到20世纪初的一个重要物理现象——β衰变。

1900年，物理学家发现某些原子核在β衰变中会释放出电子并转化为其他元素，但这些电子的能量却并不固定。为了解释这种能量“缺口”，理论物理学家泡利（Wolfgang Pauli）在1930年提出，可能还存在一种看不见的粒子，随电子一同释放，并带走一些能量。

几年后，费米（Enrico Fermi）将这种粒子命名为“中微子”。他指出：对于特定的原子核，电子的最大能量可以帮助揭示中微子的质量。

KATRIN如何称重中微子？

自20世纪40年代起，物理学家便尝试利用氚的β衰变来研究中微子的质量。氚是一种放射性氢同位素，其原子核由一个质子和两个中子组成，在衰变过程中会释放出一个电子和一个反中微子（与中微子质量相同）。

KATRIN正是基于这一过程设计的精密实验。实验核心是一台重达200吨的金属装置，包括一根充满气态氚的长管，用来产生大量衰变事件。

在实验中，衰变释放出的反中微子会直接穿过装置消失不见，而电子则在强度高达地球磁场5万倍的磁场中螺旋运动，并被引导进入一个长23米、宽10米的金属腔体。

随后，腔体中施加的电场会阻止电子的运动，从而拦截掉低能电子，只有能量最高的电子才能抵达探测器。在每秒约1000亿个电子中，只有极少数能成功穿越并被探测器捕捉。

通过不断调整电场强度并记录成功穿越的电子数量，研究人员可以重建电子的能谱高端，从中推算中微子的质量上限。

在2022年，KATRIN曾报告将中微子质量上限压缩至0.8eV。如今，团队分析了在259个测量日中收集的3600万个电子事件，将上限进一步降低为0.45eV，几乎削减了一半。

这也是目前为止实验室直接测量中微子质量的最精确结果。

更低的宇宙学上限

值得一提的是，在上个月，在美国物理学会的全球物理峰会上，有研究人员报告称，使用暗能量光谱仪（DESI）收集的数据，将三种中微子的质量总和限制在0.064eV以下——这远低于KATRIN给出的数值。

那么，这是否意味着KATRIN的实验“没必要”了？并非如此。

首先，DESI的数据所给出的质量上限，已经非常接近中微子振荡所设定的理论下限（即0.058eV）。更值得注意的是，DESI的最佳拟合值居然是一个负值——一个在物理上毫无意义的结果。

这一异常结果暴露了目前主流的标准宇宙学模型（ΛCDM模型）可能并不完善。ΛCDM认为暗能量是真空的一种固有属性，即所谓的“宇宙学常数”。但如果DESI的研究人员将暗能量模拟为随时间的推移而减弱，那么他们对中微子质量总和的估计就会变得更为合理，不再出现“负质量”这种怪异结果。

KATRIN的未来

这样的局面让KATRIN实验显得愈发珍贵。作为一个能够直接测量中微子质量的实验项目，KATRIN或许能指导宇宙学家寻找更好的模型。

而且，它的潜力远未触及上限。目前，研究团队还在持续收集数据，并计划在今年晚些时候完成全部数据收集。研究人员表示，他们希望到那时候，当他们完成了累计达1000个测量日的数据分析后，能将中微子的质量上限进一步压缩至0.3eV，甚至0.2eV。而那时，最终结果的灵敏度将提高50%左右。

#参考来源：

来源：原理一点号