0.8電子伏特！中微子質量最新上限

KATRIN實驗產生了迄今為止最精確的中微子質量測量。圖片來源：Markus Breig

德國卡爾斯魯厄理工學院的國際氚中微子實驗（KATRIN）打破了中微子物理學中與粒子物理學和宇宙學相關的一個重要“界限”，得到了中微子質量的新上限為0.8電子伏(eV)，首次將中微子質量推進到sub-eV級，這使得KATRIN能夠以前所未有的精度限定宇宙中這些輕量級物質的質量。相關研究結果發表于2月14日《自然—物理學》。

中微子可以說是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學中，它們在大尺度結構的形成中扮演著重要角色，而在粒子物理學中，它們微小但非零的質量使它們與眾不同，表現出當前理論之外的新物理現象。如果沒有測量中微子的質量尺度，我們對宇宙的理解將是不完整的。

這就是KATRIN實驗所面臨的挑戰，該實驗被認為是世界上對中微子最敏感的測量尺度。它利用氚(一種不穩定的氫同位素)的β衰變，通過衰變過程中釋放的電子能量分布來確定中微子的質量。這需要一項重大的技術努力：該70米長的實驗裝置容納了世界上強度最大的氚源，以及一個巨型光譜儀，以前所未有的精度測量衰變電子的質量。

自2019年開始科學測量以來，數據精度在過去兩年中不斷提高。該試驗聯合發言人表示，KATRIN是一項具有最高技術要求的實驗，現在運行得非常完美，信號率的增加和背景率的降低是新結果的決定性因素。

第一年測量的實驗數據和基于極小中微子質量的建模完全吻合：由此可以確定0.8 eV的中微子質量的新上限。這是直接中微子質量實驗首次進入宇宙學和粒子物理重要的sub-eV質量范圍，這也是中微子的基本質量尺度的假設范圍。

美國北卡羅來納大學中微子專家John Wilkerson評論：“粒子物理學界對KATRIN打破了1- ev的界限而感到興奮。”

KATRIN聯合發言人和分析協調員對未來表示非常樂觀。他們表示，對中微子質量的進一步測量將持續到2024年底。為了充分發揮這一獨特實驗的潛力，研究人員不僅將穩步增加信號事件的統計數據，還將繼續開發和安裝改進，從而進一步降低背景率。

一個新探測器系統(TRISTAN)的開發發揮了特殊作用，它將允許KATRIN實驗從2025年開始尋找質量在千電子伏特范圍內的“無菌”中微子，這也是宇宙中神秘暗物質的候選者，已經體現在許多天體物理學和宇宙學觀測中,但其粒子物理性質仍然未知。