物理學家希望加大力度稱量中微子，這可能是所有基本粒子中最神秘的粒子。
目前，世界上只有一個實驗有可能進行這樣的測量——位於德國的巨型齊柏林飛艇形狀的卡爾斯魯厄氚中微子 (KATRIN) 探測器。但其他一些實驗室的研究人員一直在開發替代方法，本週他們聚集在義大利熱那亞參加一個名為 NuMass 2024 的研討會，以交流意見。
三個團隊表示，他們已經建立了小型實驗，表明他們的技術可能有效。另一個小組正在研究一種可能更強大的方法。研究人員希望構建這些裝置的放大版本，最終可以與 KATRIN 競爭，甚至超越它。
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對最大尺度宇宙結構的觀測表明，中微子非常輕，質量最多為 0.12 電子伏特——比電子質量小四百萬倍。如果估計正確，這樣的估計將使中微子的真實質量超出 KATRIN 的探測範圍。“我們擔心 KATRIN，即使它是一個偉大的實驗，也可能無法確定質量，”米蘭-比可卡大學的物理學家 Matteo Borghesi 說，他在研討會上介紹了他的團隊在替代實驗技術方面的進展。“我們必須做好準備。”
極小的質量
為了稱量中微子的重量，物理學家使用放射性同位素的衰變。這種衰變中產生的中微子無法被檢測到，但它們的質量可以透過測量剩餘粒子的能量來計算。
KATRIN 使用氚的“β 衰變”，氚是氫的重放射性同位素。當氚衰變時，其原子核中的兩個中子之一會轉化為質子，彈出一個電子（也稱為 β 粒子）和一箇中微子（或者，更準確地說，是一個具有相同質量的粒子，稱為反中微子）。衰變釋放的總能量是眾所周知的，並且大部分能量由電子和中微子以動能以及束縛在兩個粒子質量中的能量的形式帶走。中微子可以以一系列可能的能量出來，但至少它必須攜帶其質量中包含的量。KATRIN 旨在透過測量相應電子的全部能量範圍來估計最小值，它可以根據電子在齊柏林飛艇形狀的結構中停止的位置來確定能量範圍。
到目前為止，KATRIN 的最佳結果是將中微子質量的上限設定為 0.8 eV，其最佳可能靈敏度為 0.2 eV。因此，當 KATRIN 合作組織今年晚些時候釋出最終結果時，只有當質量在 0.2 到 0.8 eV 之間時，它才能做出明確的測量。西班牙瓦倫西亞粒子物理研究所的理論粒子物理學家 Olga Mena 說，這樣的結果將與宇宙學的估計結果截然不同。Mena 說，如果中微子的質量在 KATRIN 可以測量的範圍內，就需要“奇異的、非平凡的物理學”，例如以前未知的、影響中微子的基本力，或對愛因斯坦引力理論的改變。
電子俘獲
物理學家希望開發最終可以將靈敏度推向更輕質量的技術，並在實驗之間提供交叉檢查。德國海德堡大學的物理學家 Loredana Gastaldo 說，NuMass 研討會正值該領域的一個有趣時刻，因為其中一些替代方案現在已經成熟到可以轉化為完全成熟的實驗的程度。一種選擇是利用鈥-163 的衰變，鈥-163 是一種稀土元素鈥的放射性同位素。
與氚不同，鈥-163 不會發生 β 衰變。相反，原子中的一個電子被原子核中的質子“俘獲”。這會將質子轉化為中子，釋放出中微子和光子。被俘獲的電子在原子電子的配置中留下一個空隙，其他電子迅速重新排列自身，釋放能量。如果原始的鈥原子嵌入在材料中，所有這些能量都將被捕獲，產生微量的熱量，可以使用足夠靈敏的探測器進行測量。
使用這種方法（稱為電子俘獲）的想法最初是由日內瓦附近的歐洲粒子物理實驗室 CERN 的理論物理學家 Álvaro de Rújula 在 1981 年巴西里約熱內盧逗留期間提出的。他說，當時他在科帕卡巴納社群的海灘上，突然從附近糖麵包山的形狀中獲得了靈感，糖麵包山具有“電子俘獲譜的形狀”（該圖顯示了可以作為衰變後的剩餘熱量測量的能量範圍）。
物理學家在最初嘗試後放棄了這個想法，但在 20 世紀 90 年代後期，Gastaldo 和另一位米蘭-比可卡大學的物理學家 Angelo Nucciotti 再次拾起了它。de Rújula 說，儘管這兩個團隊的資金和人員都嚴重不足，但多年來他們“英勇地”工作，並且幾乎沒有得到認可。
這兩個小組都採用了不同的方法，將鈥-163 注入到嵌入在接近絕對零度溫度的靈敏熱探測器中的金屬薄片中。兩個團隊都表明他們可以高精度地測量能量。2019 年，Gastaldo 和她的合作者將中微子質量的上限設定為 150 eV，他們目前正在努力將上限提高 10 倍。“我們現在可以表明鈥也參與其中，”Gastaldo 說。
替代方法
麻省理工學院 (MIT) 的物理學家 Juliana Stachurska 在研討會上描述了另一種方法。在一個名為 Project 8 的實驗中，她和她的合作者將低密度氚氣放在一個磁瓶中，該磁瓶使用磁場捕獲 β 衰變產生的電子。在去年發表的一項工作中，研究人員表明，他們可以透過分析無線電波來高精度地測量電子的能量。該團隊計劃轉向原子氚，原子氚更難處理，但可以消除一些限制先前實驗精度的實驗不確定性，包括 KATRIN。“以前沒有人做過原子氚，”Stachurska 說。
MIT 物理學家 Joseph Formaggio 是 Project 8 的發言人，他說他希望有一天能夠構建一個大型實驗版本，可以將靈敏度降低到 0.04 eV——足夠小，可以擊敗來自宇宙學實驗的嚴格限制。
更進一步，一項名為 PTOLEMY 的擬議實驗計劃使用固態而非氣態氚，並將其附著在稱為石墨烯的原子級薄碳材料薄膜上。這將使研究人員能夠裝入更多的氚並獲得更高數量的放射性排放。
Borghesi 說，目前，科學界正在熱切等待 KATRIN 的最終結果。即使在該實驗達到其設計靈敏度極限後，參與的研究人員也計劃繼續推進並對其進行升級。卡爾斯魯厄理工學院的物理學家 Magnus Schlösser 說，他在研討會上的主要資訊是“KATRIN 在當前活動結束後不會關閉大門”。
本文經許可轉載，並於 2024 年 3 月 1 日首次發表於。