科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國(guó)際氚中微子實(shí)驗(yàn)（KATRIN）團(tuán)隊(duì)10日公布了對(duì)中微子質(zhì)量上限迄今為止最精確的測(cè)量結(jié)果，將其限定在0.45電子伏特（eV）以內(nèi)，這還不足電子質(zhì)量的百萬(wàn)分之一。這項(xiàng)成果進(jìn)一步約束了這一宇宙中最神秘的基本粒子之一，并推動(dòng)物理學(xué)超越標(biāo)準(zhǔn)模型發(fā)展。該研究成果已在最新一期《科學(xué)》雜志上發(fā)表。

作為電中性的基本粒子，中微子是宇宙中最豐富的粒子之一，以三種不同的“味道”存在：電子中微子、μ子中微子和tau中微子。這些不同類型的中微子可相互轉(zhuǎn)換，這種現(xiàn)象被稱為振蕩，提供了中微子具有質(zhì)量的有力證據(jù)。這與標(biāo)準(zhǔn)模型最初假設(shè)的無(wú)質(zhì)量中微子相悖，然而測(cè)量它們的確切質(zhì)量依然是粒子物理學(xué)中的一個(gè)重大難題。

KATRIN實(shí)驗(yàn)通過(guò)分析氚的β衰變來(lái)探索中微子的質(zhì)量。在這個(gè)過(guò)程中，氚核轉(zhuǎn)變?yōu)楹ず说耐瑫r(shí)釋放出一個(gè)電子和一個(gè)電子反中微子。通過(guò)研究這個(gè)過(guò)程中電子和電子反中微子之間總衰變能量分布，科學(xué)家能夠推斷出中微子的質(zhì)量。在2019年至2021年間進(jìn)行的5次測(cè)量活動(dòng)中，KATRIN合作團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)259天的數(shù)據(jù)收集，測(cè)量了大約3600萬(wàn)個(gè)電子的能量，數(shù)據(jù)量達(dá)到了以前的6倍之多。基于這些數(shù)據(jù)，他們?cè)O(shè)定了有效電子中微子質(zhì)量的上限為小于0.45eV，置信度達(dá)到90%，這是目前實(shí)驗(yàn)室獲得的關(guān)于中微子質(zhì)量最嚴(yán)格的限值。

KATRIN實(shí)驗(yàn)計(jì)劃在完成總計(jì)1000天的數(shù)據(jù)采集后于2025年結(jié)束。屆時(shí)，通過(guò)對(duì)完整數(shù)據(jù)集的分析，研究人員預(yù)計(jì)能夠在90%的置信水平下估計(jì)出接近0.3eV預(yù)測(cè)值的有效電子中微子質(zhì)量。

這項(xiàng)工作不僅加深了人們對(duì)中微子本質(zhì)的理解，也為探索超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理開辟了道路。