物理学家希望加大力度称量中微子，这可能是所有基本粒子中最神秘的粒子。
目前，世界上只有一个实验有可能进行这样的测量——位于德国的巨型齐柏林飞艇形状的卡尔斯鲁厄氚中微子 (KATRIN) 探测器。但其他一些实验室的研究人员一直在开发替代方法，本周他们聚集在意大利热那亚参加一个名为 NuMass 2024 的研讨会，以交流意见。
三个团队表示，他们已经建立了小型实验，表明他们的技术可能有效。另一个小组正在研究一种可能更强大的方法。研究人员希望构建这些设备的放大版本，最终可以与 KATRIN 竞争，甚至超越它。
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对最大尺度宇宙结构的观测表明，中微子非常轻，质量最多为 0.12 电子伏特——比电子质量小四百万倍。如果估计正确，这样的估计将使中微子的真实质量超出 KATRIN 的探测范围。“我们担心 KATRIN，即使它是一个伟大的实验，也可能无法确定质量，”米兰-比可卡大学的物理学家 Matteo Borghesi 说，他在研讨会上介绍了他的团队在替代实验技术方面的进展。“我们必须做好准备。”
极小的质量
为了称量中微子的重量，物理学家使用放射性同位素的衰变。这种衰变中产生的中微子无法被检测到，但它们的质量可以通过测量剩余粒子的能量来计算。
KATRIN 使用氚的“β 衰变”，氚是氢的重放射性同位素。当氚衰变时，其原子核中的两个中子之一会转化为质子，弹出一个电子（也称为 β 粒子）和一个中微子（或者，更准确地说，是一个具有相同质量的粒子，称为反中微子）。衰变释放的总能量是众所周知的，并且大部分能量由电子和中微子以动能以及束缚在两个粒子质量中的能量的形式带走。中微子可以以一系列可能的能量出来，但至少它必须携带其质量中包含的量。KATRIN 旨在通过测量相应电子的全部能量范围来估计最小值，它可以根据电子在齐柏林飞艇形状的结构中停止的位置来确定能量范围。
到目前为止，KATRIN 的最佳结果是将中微子质量的上限设定为 0.8 eV，其最佳可能灵敏度为 0.2 eV。因此，当 KATRIN 合作组织今年晚些时候发布最终结果时，只有当质量在 0.2 到 0.8 eV 之间时，它才能做出明确的测量。西班牙瓦伦西亚粒子物理研究所的理论粒子物理学家 Olga Mena 说，这样的结果将与宇宙学的估计结果截然不同。Mena 说，如果中微子的质量在 KATRIN 可以测量的范围内，就需要“奇异的、非平凡的物理学”，例如以前未知的、影响中微子的基本力，或对爱因斯坦引力理论的改变。
电子俘获
物理学家希望开发最终可以将灵敏度推向更轻质量的技术，并在实验之间提供交叉检查。德国海德堡大学的物理学家 Loredana Gastaldo 说，NuMass 研讨会正值该领域的一个有趣时刻，因为其中一些替代方案现在已经成熟到可以转化为完全成熟的实验的程度。一种选择是利用钬-163 的衰变，钬-163 是一种稀土元素钬的放射性同位素。
与氚不同，钬-163 不会发生 β 衰变。相反，原子中的一个电子被原子核中的质子“俘获”。这会将质子转化为中子，释放出中微子和光子。被俘获的电子在原子电子的配置中留下一个空隙，其他电子迅速重新排列自身，释放能量。如果原始的钬原子嵌入在材料中，所有这些能量都将被捕获，产生微量的热量，可以使用足够灵敏的探测器进行测量。
使用这种方法（称为电子俘获）的想法最初是由日内瓦附近的欧洲粒子物理实验室 CERN 的理论物理学家 Álvaro de Rújula 在 1981 年巴西里约热内卢逗留期间提出的。他说，当时他在科帕卡巴纳社区的海滩上，突然从附近糖面包山的形状中获得了灵感，糖面包山具有“电子俘获谱的形状”（该图显示了可以作为衰变后的剩余热量测量的能量范围）。
物理学家在最初尝试后放弃了这个想法，但在 20 世纪 90 年代后期，Gastaldo 和另一位米兰-比可卡大学的物理学家 Angelo Nucciotti 再次拾起了它。de Rújula 说，尽管这两个团队的资金和人员都严重不足，但多年来他们“英勇地”工作，并且几乎没有得到认可。
这两个小组都采用了不同的方法，将钬-163 注入到嵌入在接近绝对零度温度的灵敏热探测器中的金属薄片中。两个团队都表明他们可以高精度地测量能量。2019 年，Gastaldo 和她的合作者将中微子质量的上限设定为 150 eV，他们目前正在努力将上限提高 10 倍。“我们现在可以表明钬也参与其中，”Gastaldo 说。
替代方法
麻省理工学院 (MIT) 的物理学家 Juliana Stachurska 在研讨会上描述了另一种方法。在一个名为 Project 8 的实验中，她和她的合作者将低密度氚气放在一个磁瓶中，该磁瓶使用磁场捕获 β 衰变产生的电子。在去年发表的一项工作中，研究人员表明，他们可以通过分析无线电波来高精度地测量电子的能量。该团队计划转向原子氚，原子氚更难处理，但可以消除一些限制先前实验精度的实验不确定性，包括 KATRIN。“以前没有人做过原子氚，”Stachurska 说。
MIT 物理学家 Joseph Formaggio 是 Project 8 的发言人，他说他希望有一天能够构建一个大型实验版本，可以将灵敏度降低到 0.04 eV——足够小，可以击败来自宇宙学实验的严格限制。
更进一步，一项名为 PTOLEMY 的拟议实验计划使用固态而非气态氚，并将其附着在称为石墨烯的原子级薄碳材料薄膜上。这将使研究人员能够装入更多的氚并获得更高数量的放射性排放。
Borghesi 说，目前，科学界正在热切等待 KATRIN 的最终结果。即使在该实验达到其设计灵敏度极限后，参与的研究人员也计划继续推进并对其进行升级。卡尔斯鲁厄理工学院的物理学家 Magnus Schlösser 说，他在研讨会上的主要信息是“KATRIN 在当前活动结束后不会关闭大门”。
本文经许可转载，并于 2024 年 3 月 1 日首次发表于。