作者:辛雨 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/16 17:04:48
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0.8电子伏特!中微子质量最新上限

 

KATRIN实验产生了迄今为止最精确的中微子质量测量。图片来源:Markus Breig

德国卡尔斯鲁厄理工学院的国际氚中微子实验(KATRIN)打破了中微子物理学中与粒子物理学和宇宙学相关的一个重要“界限”,得到了中微子质量的新上限为0.8电子伏(eV),首次将中微子质量推进到sub-eV级,这使得KATRIN能够以前所未有的精度限定宇宙中这些轻量级物质的质量。相关研究结果发表于2月14日《自然—物理学》。

中微子可以说是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙学中,它们在大尺度结构的形成中扮演着重要角色,而在粒子物理学中,它们微小但非零的质量使它们与众不同,表现出当前理论之外的新物理现象。如果没有测量中微子的质量尺度,我们对宇宙的理解将是不完整的。

这就是KATRIN实验所面临的挑战,该实验被认为是世界上对中微子最敏感的测量尺度。它利用氚(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:该70米长的实验装置容纳了世界上强度最大的氚源,以及一个巨型光谱仪,以前所未有的精度测量衰变电子的质量。

自2019年开始科学测量以来,数据精度在过去两年中不断提高。该试验联合发言人表示,KATRIN是一项具有最高技术要求的实验,现在运行得非常完美,信号率的增加和背景率的降低是新结果的决定性因素。

第一年测量的实验数据和基于极小中微子质量的建模完全吻合:由此可以确定0.8 eV的中微子质量的新上限。这是直接中微子质量实验首次进入宇宙学和粒子物理重要的sub-eV质量范围,这也是中微子的基本质量尺度的假设范围。

美国北卡罗来纳大学中微子专家John Wilkerson评论:“粒子物理学界对KATRIN打破了1- ev的界限而感到兴奋。”

KATRIN联合发言人和分析协调员对未来表示非常乐观。他们表示,对中微子质量的进一步测量将持续到2024年底。为了充分发挥这一独特实验的潜力,研究人员不仅将稳步增加信号事件的统计数据,还将继续开发和安装改进,从而进一步降低背景率。

一个新探测器系统(TRISTAN)的开发发挥了特殊作用,它将允许KATRIN实验从2025年开始寻找质量在千电子伏特范围内的“无菌”中微子,这也是宇宙中神秘暗物质的候选者,已经体现在许多天体物理学和宇宙学观测中,但其粒子物理性质仍然未知。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41567-021-01463-1

 
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