新纪录：“幽灵粒子”实验以前所未有的精度限制了中微子的质量

导读：中微子可以说是我们宇宙中最迷人的基本粒子。

中微子可以说是我们宇宙中最迷人的基本粒子。在宇宙学中，它们在大尺度结构的形成中发挥着重要作用，而在粒子物理学中，它们微小但非零的质量又让它们与众不同。如果不对中微子的质量尺度进行测量，我们对宇宙的理解将仍是不完整的。

这就是卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)跟来自六个国家的合作伙伴进行的国际卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验的挑战，它是世界上最敏感的中微子尺度。它利用了氚（一种不稳定的氢同位素）的β衰变，通过衰变过程中释放的电子的能量分布来确定中微子的质量。这需要一项重大的技术努力：这个70米长的实验包含了世界上最强烈的氚源及一个巨大的光谱仪，以前所未有的精度测量衰变电子的能量。

2019年开始科学测量后的高质量数据在过去两年中不断得到改善。“KATRIN是一个具有最高技术要求的实验，现在正像完美的钟表一样运行”，项目负责人、该实验的两位联合发言人之一Guido Drexlin兴奋地说道。另一位共同发言人Christian Weinheimer则补充称：“信号率的提高和背景率的降低对新的结果具有决定性意义。”

对这些数据的深入分析对由两位协调员Susanne Mertens（马克斯-普朗克物理研究所和慕尼黑大学）和Magnus Schlösser(KIT)领导的国际分析小组提出了很高的要求。每一个影响--无论多么微小--都必须进行详细的调查。“只有通过这种费力而复杂的方法，我们才能排除由于扭曲过程而导致的系统性偏差。我们为我们的分析团队感到特别自豪，他们以极大的决心成功地接受了这一巨大的挑战，”这两位分析协调员高兴地报告道。

第一年测量的实验数据和基于极小的中微子质量的建模完全吻合：由此可以确定中微子质量的新上限为0.8eV。这是直接中微子质量实验首次进入宇宙学和粒子物理学上重要的亚eV质量范围，怀疑中微子的基本质量尺度就在这个范围内。中微子专家John Wilkerson评论称：“粒子物理学界对KATRIN打破1-eV的障碍感到兴奋。”

Suanne Mertens解释了创造新纪录的路径。“我们在慕尼黑MPP的团队为KATRIN开发了一种新的分析方法，专门针对这种高精度测量的要求进行优化。这一策略已成功用于过去和现在的结果。我的小组有着很强的动力。我们将继续以新的创造性想法和一丝不苟的准确性来迎接KATRIN分析的未来挑战。”

进一步的测量应提高灵敏度

KATRIN的联合发言人和分析协调人对未来非常乐观。“对中微子质量的进一步测量将持续到2024年底。为了充分实现这一独特实验的潜力，我们不仅将稳步提高信号事件的统计量还在不断开发和安装改进以进一步降低背景率。”

一个新的探测器系统(TRISTAN)的开发在其中发挥了具体的作用，这使得KATRIN从2025年开始着手寻找质量在千电子伏特范围内的“无菌”中微子，这是宇宙中神秘的暗物质的候选者，已经在许多天体物理学和宇宙学观测中表现出来，但其粒子物理性质仍未知。