微小、隱形的中微子粒子無處不在，但幾乎無法捕捉。它們每時每刻都以數十億的數量飛過地球——和我們。它們是宇宙中已知最小的物質粒子，並且曾經被預測為無質量的。然而，奇怪的是，它們並非如此。原因仍然是個謎，科學家們尚不清楚它們的質量有多大。現在，一項旨在直接測量其質量的新實驗發現，它們的重量不超過一個電子伏特（eV）——這相當於電子質量的五十萬分之一，電子是第二輕的粒子。
9月13日，期待已久的成果來自卡爾斯魯厄氚中微子（KATRIN）實驗，該實驗最近在德國卡爾斯魯厄理工學院開始執行。這項基於僅一個月資料的最新測量結果，將中微子質量的可能上限減半，與之前直接測量實驗的最佳估計值相比。中微子有三種類型，稱為“味”，該限制適用於這三種各自質量的平均值。從其他粒子物理實驗中，科學家們也知道平均質量不低於0.02 eV。“中微子現在被限制住了，”KATRIN團隊成員、華盛頓大學物理學榮譽教授哈米什·羅伯遜說。“令人興奮的是，我們僅在一個月內就表明，我們已經改進了之前存在的全球知識。”
弄清楚中微子質量非常重要，因為這些粒子本不應該有任何質量。物理學家解釋基本粒子的最佳理論——標準模型——曾預測它們是無重量的，因此1998年發現它們確實具有少量質量令人震驚。“中微子似乎打破了我們對標準模型應有的理解，”來自麻省理工學院的KATRIN科學家約瑟夫·福爾馬吉奧說。“這似乎真的暗示著一個更大的理論。”確定中微子有多少質量可能有助於解釋它們為什麼會擁有質量——並可能為更深入的物理學理論鋪平道路，從而幫助解決其他謎團。
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KATRIN透過研究一種稱為β衰變的自然放射過程來工作，其中中子透過釋放電子和中微子轉化為質子。該實驗使用氚氣——一種不穩定的氫版本，帶有一個質子和兩個中子（普通氫帶有一個質子，沒有中子）。氚中額外的中子容易發生β衰變；當這種情況發生時，實驗會隔離射出的電子並仔細測量它們的能量。中微子本身太難捕捉，但科學家可以計算出電子和中微子應該共享的總能量。然後，透過減去電子的能量，他們可以推斷出中微子的能量——以及它們的質量。到目前為止，KATRIN還沒有產生足夠的資料來進行明確的質量測量，但中微子質量尚不明顯這一事實意味著它不可能大於1 eV。
根據宇宙學資料，真實值可能比這小得多。科學家可以研究中微子的引力如何影響星系在整個空間中的分佈——中微子的質量越大，它們必須產生的影響就越大。“宇宙學邊界是對這些實驗結果的補充，”密歇根大學的物理學家凱瑟琳·弗里斯說，她致力於天體物理模型來估計中微子質量，但沒有參與這項新實驗。“作為一個社群，我們現在真的從兩方面限制了中微子質量的價值。”最近的一項宇宙學分析估計，三種中微子質量中最小的一種不可能大於0.086 eV——甚至比KATRIN測量的下限還要低。
“有間接證據表明，中微子質量小於KATRIN上週告訴我們的，”西北大學的理論物理學家安德烈·德·古維亞說，他也沒有參與這項測量。“然而，間接證據並不能取代KATRIN可以做的事情，因此結果本身非常重要。也許更重要的是，KATRIN證明了事情正在運作，並且它們似乎有望取得更大的進展。”