微小、隐形的中微子粒子无处不在，但几乎无法捕捉。它们每时每刻都以数十亿的数量飞过地球——和我们。它们是宇宙中已知最小的物质粒子，并且曾经被预测为无质量的。然而，奇怪的是，它们并非如此。原因仍然是个谜，科学家们尚不清楚它们的质量有多大。现在，一项旨在直接测量其质量的新实验发现，它们的重量不超过一个电子伏特（eV）——这相当于电子质量的五十万分之一，电子是第二轻的粒子。
9月13日，期待已久的成果来自卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验，该实验最近在德国卡尔斯鲁厄理工学院开始运行。这项基于仅一个月数据的最新测量结果，将中微子质量的可能上限减半，与之前直接测量实验的最佳估计值相比。中微子有三种类型，称为“味”，该限制适用于这三种各自质量的平均值。从其他粒子物理实验中，科学家们也知道平均质量不低于0.02 eV。“中微子现在被限制住了，”KATRIN团队成员、华盛顿大学物理学荣誉教授哈米什·罗伯逊说。“令人兴奋的是，我们仅在一个月内就表明，我们已经改进了之前存在的全球知识。”
弄清楚中微子质量非常重要，因为这些粒子本不应该有任何质量。物理学家解释基本粒子的最佳理论——标准模型——曾预测它们是无重量的，因此1998年发现它们确实具有少量质量令人震惊。“中微子似乎打破了我们对标准模型应有的理解，”来自麻省理工学院的KATRIN科学家约瑟夫·福尔马吉奥说。“这似乎真的暗示着一个更大的理论。”确定中微子有多少质量可能有助于解释它们为什么会拥有质量——并可能为更深入的物理学理论铺平道路，从而帮助解决其他谜团。
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KATRIN通过研究一种称为β衰变的自然放射过程来工作，其中中子通过释放电子和中微子转化为质子。该实验使用氚气——一种不稳定的氢版本，带有一个质子和两个中子（普通氢带有一个质子，没有中子）。氚中额外的中子容易发生β衰变；当这种情况发生时，实验会隔离射出的电子并仔细测量它们的能量。中微子本身太难捕捉，但科学家可以计算出电子和中微子应该共享的总能量。然后，通过减去电子的能量，他们可以推断出中微子的能量——以及它们的质量。到目前为止，KATRIN还没有产生足够的数据来进行明确的质量测量，但中微子质量尚不明显这一事实意味着它不可能大于1 eV。
根据宇宙学数据，真实值可能比这小得多。科学家可以研究中微子的引力如何影响星系在整个空间中的分布——中微子的质量越大，它们必须产生的影响就越大。“宇宙学边界是对这些实验结果的补充，”密歇根大学的物理学家凯瑟琳·弗里斯说，她致力于天体物理模型来估计中微子质量，但没有参与这项新实验。“作为一个社群，我们现在真的从两方面限制了中微子质量的价值。”最近的一项宇宙学分析估计，三种中微子质量中最小的一种不可能大于0.086 eV——甚至比KATRIN测量的下限还要低。
“有间接证据表明，中微子质量小于KATRIN上周告诉我们的，”西北大学的理论物理学家安德烈·德·古维亚说，他也没有参与这项测量。“然而，间接证据并不能取代KATRIN可以做的事情，因此结果本身非常重要。也许更重要的是，KATRIN证明了事情正在运作，并且它们似乎有望取得更大的进展。”