物理学家们朝着确定中微子的质量迈进了一步，中微子可能是所有基本粒子中最神秘的粒子。
德国卡尔斯鲁厄氚中微子 (KATRIN) 实验团队报告称，中微子的最大质量为 0.8 电子伏特。研究人员长期以来都有间接证据表明这些粒子的质量应该小于 1 电子伏特，但这是首次在直接测量中证明这一点。这些结果于 2 月 14 日在《自然·物理学》杂志上发表。
KATRIN 在 2019 年报告的先前上限为 1.1 电子伏特。到目前为止，该实验只能给出质量的上限。但研究人员表示，一旦在 2024 年完成数据收集，它或许能够做出明确的测量，并且是世界上唯一能够做到这一点的实验。
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德国慕尼黑工业大学的理论粒子物理学家 Julia Harz 说：“如果 KATRIN 实验能够在达到其 0.2 电子伏特的灵敏度目标之前就确定中微子质量，那将是非常令人兴奋的。”她补充说，特别是，这可以为如何改进宇宙学理论提供指导。
高能电子
KATRIN 测量由氚（氢的放射性同位素）的核衰变产生的中微子。当氚核嬗变成氦核时，它会喷射出一个电子和一个中微子（或者更准确地说，是一个质量相等的粒子，称为反中微子）。中微子丢失了，但电子被引导到一个 23 米长的钢制真空室中，该真空室形状像齐柏林飞艇，在那里精确测量其能量。
电子携带了氚衰变过程中释放的几乎所有能量，但其中一部分能量随中微子一起丢失。这个差值可用于计算粒子的质量。
KATRIN 2019 年的结果基于当年 4 月和 5 月的实验初始运行，当时氚束的运行强度为其全强度的四分之一。最新的结果基于 2019 年晚些时候进行的首次全强度运行的数据。这些数据暗示上限为 0.9 电子伏特，当与早期结果结合时，上限降至 0.8 电子伏特。
尽管估计值已经收紧，但仍然无法报告中微子质量的下限。卡尔斯鲁厄理工学院的粒子物理学家、KATRIN 成员 Magnus Schlösser 说，数据仍然不能排除质量为零的可能性。但其他证据线索，特别是来自宇宙学观测的证据，表明中微子不可能是无质量的。
即使在 2024 年之后，KATRIN 仍然有可能无法测量中微子的最小质量：如果质量小于 0.2 电子伏特，则可能超出实验的灵敏度范围。
Schlösser 将这项探索比作西班牙征服者寻找神话中的黄金之城。“这就像寻找埃尔多拉多，”他说。“你缩小了找到它的可能性。”
本文经许可转载，最初于 2022 年 2 月 14 日首次发表。