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，時間對光速運動的粒子而言是“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，一項新發(fā)表于《科學》雜志的研究表明：卡爾斯魯厄氚中微子實驗（KATRIN）通過精準的測量，將中微子的質(zhì)量上限進一步縮減至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的實驗目標，是通過極其精密的實驗裝置，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世紀初的一個重要物理現(xiàn)象——β衰變。

1900年，物理學家發(fā)現(xiàn)某些原子核在β衰變中會釋放出電子并轉(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40年代起，物理學家便嘗試利用氚的β衰變來研究中微子的質(zhì)量。氚是一種放射性氫同位素，其原子核由一個質(zhì)子和兩個中子組成，在衰變過程中會釋放出一個電子和一個反中微子（與中微子質(zhì)量相同）。

KATRIN正是基于這一過程設(shè)計的精密實驗。實驗核心是一臺重達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。

在實驗中，衰變釋放出的反中微子會直接穿過裝置消失不見，而電子則在強度高達地球磁場5萬倍的磁場中螺旋運動，并被引導進入一個長23米、寬10米的金屬腔體。

隨后，腔體中施加的電場會阻止電子的運動，從而攔截掉低能電子，只有能量最高的電子才能抵達探測器。在每秒約1000億個電子中，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曾報告將中微子質(zhì)量上限壓縮至0.8eV。如今，團隊分析了在259個測量日中收集的3600萬個電子事件，將上限進一步降低為0.45eV，幾乎削減了一半。

這也是目前為止實驗室直接測量中微子質(zhì)量的最精確結(jié)果。

更低的宇宙學上限

值得一提的是，在上個月，在美國物理學會的全球物理峰會上，有研究人員報告稱，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——這遠低于KATRIN給出的數(shù)值。

那么，這是否意味著KATRIN的實驗“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負值——一個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準宇宙學模型（ΛCDM模型）可能并不完善。ΛCDM認為暗能量是真空的一種固有屬性，即所謂的“宇宙學常數(shù)”。但如果DESI的研究人員將暗能量模擬為隨時間的推移而減弱，那么他們對中微子質(zhì)量總和的估計就會變得更為合理，不再出現(xiàn)“負質(zhì)量”這種怪異結(jié)果。

KATRIN的未來

這樣的局面讓KATRIN實驗顯得愈發(fā)珍貴。作為一個能夠直接測量中微子質(zhì)量的實驗項目，KATRIN或許能指導宇宙學家尋找更好的模型。

而且，它的潛力遠未觸及上限。目前，研究團隊還在持續(xù)收集數(shù)據(jù)，并計劃在今年晚些時候完成全部數(shù)據(jù)收集。研究人員表示，他們希望到那時候，當他們完成了累計達1000個測量日的數(shù)據(jù)分析后，能將中微子的質(zhì)量上限進一步壓縮至0.3eV，甚至0.2eV。而那時，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