物理學家更接近難以捉摸的中微子

一項新研究發表於 自然 報告了迄今為止對貧瘠中微子最直接的搜索。這項工作來自 KATRIN 合作項目，該項目分析了氚的放射性衰變，以尋找另一種中微子的微妙跡象。

KATRIN（卡爾斯魯厄氚中微子）實驗最初是為了測量中微子的質量而設計的。他通過仔細跟踪氚β衰變過程中釋放的電子能量來做到這一點。當氚衰變時，中微子攜帶一些能量，這會稍微改變發射電子的能量模式。如果偶爾產生不孕中微子，它會在該模式中留下可檢測到的扭曲。

KATRIN 位於德國卡爾斯魯厄理工學院，長 70 多米。它的裝置包括一個強大的、無窗的氣態氚源、一個精確測量電子能量的高分辨率光譜儀和一個記錄粒子的探測器。自 2019 年開始運行以來，該實驗已經以高精度收集了氚 β 衰變數據，特別是尋找惰性中微子預期的小偏差。

數據顯示了惰性中微子的什麼

在新的 自然 在論文中，該團隊報告了迄今為止最靈敏的中微子貧氚β衰變搜索。 2019 年至 2021 年間，KATRIN 在 259 天的數據採集中記錄了約 3600 萬個電子。將這些測量結果與精確的 β 衰變模型進行比較，精度優於百分之一。分析沒有發現惰性中微子的證據。

這一結果排除了先前異常現象所暗示的大範圍。這些異常現象包括反應堆中微子實驗和鎵源測量中發現的意外缺陷，這兩者都表明存在第四個中微子。這些發現與中微子 4 號實驗形成鮮明對比，該實驗聲稱存在這種粒子的證據。

KATRIN 的背景非常低，這意味著幾乎所有檢測到的電子都源自氚的衰變，從而可以非常乾淨地測量能譜。與振盪實驗不同，振盪實驗研究中微子在行進一段距離後如何改變其特性，KATRIN 研究中微子產生時的能量分佈。由於這些方法研究中微子行為的不同方面，因此它們相互補充，共同提供反對惰性中微子假說的有力證據。

KATRIN 如何補充其他實驗

“我們的新結果與 STEREO 等反應堆實驗完全互補，”領導該分析的海德堡馬克斯普朗克核物理研究所蒂埃里·拉塞爾 (Thierry Lasser) 解釋道。 “雖然反應堆實驗對低於幾個 eV 的無菌活性質量分數最敏感²KATRIN 分析的範圍從幾 eV² 到幾百 eV²。總之，這兩種方法現在一致排除了會與已知類型的中微子混合的輕貧中微子。 ”

期待更多數據和新探測器

KATRIN 將繼續收集數據直到 2025 年，這將進一步提高其靈敏度，並能夠對輕惰性中微子進行更嚴格的測試。 KATRIN 發言人 Kathrin Valerius (KIT) 表示：“到 2025 年數據採集結束時，KATRIN 已在感興趣的區域記錄了超過 2.2 億個電子，使統計數據增加了六倍多。” “這將使我們能夠將精度和探測混合角度的界限推向當前極限以下。”

計劃於 2026 年進行升級，屆時 TRISTAN 探測器將被添加到實驗中。 TRISTAN 將以前所未有的統計數據記錄氚的整個 β 衰變譜。通過繞過主光譜儀並直接測量電子能量，特里斯坦將能夠探測更重的惰性中微子。 “這一下一代裝置將為我們打開一扇了解 keV 質量範圍的新窗口，其中惰性中微子也可以在宇宙中產生暗物質，”女發言人 Susanne Mertens（馬克斯普朗克核物理研究所）說道。

國際科學努力

KATRIN 合作項目匯集了來自 7 個國家 20 多個機構的科學家，反映了全球為有史以來最精確的中微子實驗之一所做的努力。