中微子可以說是幽靈粒子我們宇宙中最迷人的基本粒子。在宇宙學中，新紀限制它們在大尺度結(jié)構(gòu)的錄實量形成中發(fā)揮著重要作用，而在粒子物理學中，驗前它們微小但非零的精度質(zhì)量又讓它們與眾不同。如果不對中微子的中微質(zhì)量尺度進行測量，我們對宇宙的幽靈粒子理解將仍是不完整的。

這就是新紀限制卡爾斯魯厄理工學院(KIT)跟來自六個國家的合作伙伴進行的國際卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗的挑戰(zhàn)，它是錄實量世界上最敏感的中微子尺度。它利用了氚（一種不穩(wěn)定的驗前氫同位素）的β衰變，通過衰變過程中釋放的精度電子的能量分布來確定中微子的質(zhì)量。這需要一項重大的中微技術(shù)努力：這個70米長的實驗包含了世界上最強烈的氚源及一個巨大的光譜儀，以前所未有的幽靈粒子精度測量衰變電子的能量。

2019年開始科學測量后的新紀限制高質(zhì)量數(shù)據(jù)在過去兩年中不斷得到改善。“KATRIN是錄實量一個具有最高技術(shù)要求的實驗，現(xiàn)在正像完美的鐘表一樣運行”，項目負責人、該實驗的兩位聯(lián)合發(fā)言人之一Guido Drexlin興奮地說道。另一位共同發(fā)言人Christian Weinheimer則補充稱：“信號率的提高和背景率的降低對新的結(jié)果具有決定性意義。”

數(shù)據(jù)分析

對這些數(shù)據(jù)的深入分析對由兩位協(xié)調(diào)員Susanne Mertens（馬克斯-普朗克物理研究所和慕尼黑大學）和Magnus Schl?sser(KIT)領(lǐng)導的國際分析小組提出了很高的要求。每一個影響--無論多么微小--都必須進行詳細的調(diào)查。“只有通過這種費力而復雜的方法，我們才能排除由于扭曲過程而導致的系統(tǒng)性偏差。我們?yōu)槲覀兊姆治鰣F隊感到特別自豪，他們以極大的決心成功地接受了這一巨大的挑戰(zhàn)，”這兩位分析協(xié)調(diào)員高興地報告道。

第一年測量的實驗數(shù)據(jù)和基于極小的中微子質(zhì)量的建模完全吻合：由此可以確定中微子質(zhì)量的新上限為0.8eV。這是直接中微子質(zhì)量實驗首次進入宇宙學和粒子物理學上重要的亞eV質(zhì)量范圍，懷疑中微子的基本質(zhì)量尺度就在這個范圍內(nèi)。中微子專家John Wilkerson評論稱：“粒子物理學界對KATRIN打破1-eV的障礙感到興奮。”

Suanne Mertens解釋了創(chuàng)造新紀錄的路徑。“我們在慕尼黑MPP的團隊為KATRIN開發(fā)了一種新的分析方法，專門針對這種高精度測量的要求進行優(yōu)化。這一策略已成功用于過去和現(xiàn)在的結(jié)果。我的小組有著很強的動力。我們將繼續(xù)以新的創(chuàng)造性想法和一絲不茍的準確性來迎接KATRIN分析的未來挑戰(zhàn)。”

進一步的測量應提高靈敏度

KATRIN的聯(lián)合發(fā)言人和分析協(xié)調(diào)人對未來非常樂觀。“對中微子質(zhì)量的進一步測量將持續(xù)到2024年底。為了充分實現(xiàn)這一獨特實驗的潛力，我們不僅將穩(wěn)步提高信號事件的統(tǒng)計量還在不斷開發(fā)和安裝改進以進一步降低背景率。”

一個新的探測器系統(tǒng)(TRISTAN)的開發(fā)在其中發(fā)揮了具體的作用，這使得KATRIN從2025年開始著手尋找質(zhì)量在千電子伏特范圍內(nèi)的“無菌”中微子，這是宇宙中神秘的暗物質(zhì)的候選者，已經(jīng)在許多天體物理學和宇宙學觀測中表現(xiàn)出來，但其粒子物理性質(zhì)仍未知。