確定中微子的質(zhì)量是當(dāng)代物理學(xué)最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。德國(guó)卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）在這一領(lǐng)域發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它通過(guò)一種與模型無(wú)關(guān)的方法，直接測(cè)量電子中微子的有效質(zhì)量。在長(zhǎng)達(dá) 259 天的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行中，KATRIN 以前所未有的精度收集數(shù)據(jù)，為揭示中微子微小質(zhì)量的本質(zhì)提供了重要線(xiàn)索。

一、引言

中微子是一種幾乎沒(méi)有質(zhì)量、僅通過(guò)弱相互作用與其他物質(zhì)發(fā)生作用的粒子，在標(biāo)準(zhǔn)模型中長(zhǎng)期被視為質(zhì)量為零。然而，近幾十年來(lái)的實(shí)驗(yàn)（如中微子振蕩）已確認(rèn)它們擁有非零質(zhì)量，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)粒子物理和宇宙學(xué)具有深遠(yuǎn)影響。例如，中微子對(duì)早期宇宙的演化及星系形成起到了關(guān)鍵作用。

盡管中微子振蕩實(shí)驗(yàn)揭示了不同中微子之間的質(zhì)量差，但它們無(wú)法確定中微子的絕對(duì)質(zhì)量。KATRIN 實(shí)驗(yàn)正是為此目的而設(shè)計(jì)：通過(guò)氚的 β 衰變末端譜精確測(cè)量中微子的絕對(duì)質(zhì)量。

二、實(shí)驗(yàn)背景與動(dòng)機(jī)

中微子質(zhì)量為何重要？

中微子的非零質(zhì)量暗示標(biāo)準(zhǔn)模型必須擴(kuò)展，這使得對(duì)其質(zhì)量的測(cè)量成為基礎(chǔ)物理研究的核心任務(wù)之一。直接測(cè)量結(jié)果還可以對(duì)宇宙學(xué)參數(shù)（如暗物質(zhì)密度、宇宙膨脹率）進(jìn)行精確約束。

KATRIN 的目標(biāo)

KATRIN（Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment）旨在通過(guò)氚 β 衰變過(guò)程精確測(cè)定電子中微子的質(zhì)量。由于中微子會(huì)從衰變能量中“帶走”一部分能量，其質(zhì)量會(huì)在電子能譜靠近末端處留下痕跡。KATRIN 正是通過(guò)極高分辨率的末端譜測(cè)量，來(lái)尋找這種痕跡。

三、實(shí)驗(yàn)原理與技術(shù)

氚 β 衰變?cè)?/p>

氚（3H）衰變?yōu)楹?3（3He）、一個(gè)電子以及一個(gè)電子反中微子。電子的動(dòng)能分布呈連續(xù)譜，最大動(dòng)能約為 18.6 keV。中微子的質(zhì)量會(huì)影響電子能譜靠近這一末端區(qū)域的形狀。因此，測(cè)量譜線(xiàn)末端精細(xì)結(jié)構(gòu)可以獲得中微子質(zhì)量信息。

MAC-E 濾波器與探測(cè)技術(shù)

KATRIN 使用一種叫做 MAC-E（Magnetic Adiabatic Collimation with Electrostatic）濾波器的系統(tǒng)，將電子的動(dòng)能精確轉(zhuǎn)換為電勢(shì)能并測(cè)量。其高達(dá) 0.93 eV 的能量分辨率，足以分辨中微子質(zhì)量對(duì)譜線(xiàn)的微小影響。

數(shù)據(jù)收集與分析

在這 259 天中，KATRIN 記錄了約 3600 萬(wàn)個(gè) β 衰變事件。研究人員通過(guò)擬合理論模型與實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，提取末端能譜的形狀特征，并估計(jì)中微子質(zhì)量。同時(shí)，他們也對(duì)系統(tǒng)誤差和背景噪聲進(jìn)行了嚴(yán)格控制和修正。

四、關(guān)鍵結(jié)果

測(cè)量結(jié)果

KATRIN 給出的中微子質(zhì)量平方的最佳擬合值為：m2ν=?0.14?0.15+0.13 eV2。盡管該值略為負(fù)數(shù)（這在高精度測(cè)量中屬于常見(jiàn)的統(tǒng)計(jì)偏移），但在誤差范圍內(nèi)與零相容。

質(zhì)量上限

在 90% 置信水平下，中微子的質(zhì)量上限被限定為：mν<0.45 eV。這是目前為止最精確的直接測(cè)量結(jié)果，比 KATRIN 早期數(shù)據(jù)提升了近一倍精度。

五、對(duì)粒子物理與宇宙學(xué)的影響

標(biāo)準(zhǔn)模型與超越模型

KATRIN 的結(jié)果對(duì)“西瓦機(jī)制”（seesaw mechanism）等解釋中微子質(zhì)量的理論提供了限制，也對(duì)可能存在的“惰性中微子”或“右手中微子”進(jìn)行了排除或約束。

宇宙學(xué)意義

在宇宙學(xué)中，中微子作為輕質(zhì)但數(shù)量極多的粒子，其質(zhì)量影響了大尺度結(jié)構(gòu)（如星系團(tuán)）形成。KATRIN 的上限結(jié)果有助于校準(zhǔn)宇宙膨脹模型、冷暗物質(zhì)理論及暗能量分布等關(guān)鍵問(wèn)題。

未來(lái)展望

KATRIN 預(yù)計(jì)將持續(xù)運(yùn)行至 2026 年，并通過(guò)增加數(shù)據(jù)量和進(jìn)一步降低系統(tǒng)誤差，力爭(zhēng)將測(cè)量靈敏度提高到 0.2 eV 以下。如果最終探測(cè)到非零質(zhì)量，將標(biāo)志著基礎(chǔ)物理的一次重大突破。

總結(jié)

KATRIN 實(shí)驗(yàn)在 259 天的運(yùn)行中，取得了迄今最精確的中微子質(zhì)量上限結(jié)果，向“直接測(cè)量中微子絕對(duì)質(zhì)量”這一物理學(xué)圣杯邁出了堅(jiān)實(shí)一步。盡管目前尚未發(fā)現(xiàn)明確的非零質(zhì)量信號(hào)，但其測(cè)量精度已經(jīng)大大收緊了理論模型的可行范圍，也為未來(lái)發(fā)現(xiàn)中微子真實(shí)質(zhì)量鋪平了道路。

無(wú)論是對(duì)粒子物理的基本結(jié)構(gòu)理解，還是對(duì)宇宙大尺度演化的深入描繪，KATRIN 的工作都具有開(kāi)創(chuàng)性意義。隨著更多數(shù)據(jù)的積累和方法的優(yōu)化，我們有理由期待，在不久的將來(lái)，人類(lèi)或許終于能揭示中微子的“體重”。