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0.8電子伏特!中微子質量上限又有新紀錄
2022-02-16 11:07:18   來源:科技日報

     德國卡爾斯魯厄理工學院的國際氚中微子實驗(KATRIN)打破了中微子物理學中與粒子物理學和宇宙學相關的一個重要“界限”——1電子伏特(eV)。德國馬克斯普朗克物理研究所當?shù)貢r間14日消息,據(jù)發(fā)表在著名期刊《自然·物理學》上的數(shù)據(jù),科學家已獲得了中微子質量新上限:0.8?eV,首次將中微子的質量推向sub-eV級,這使得KATRIN能以前所未有的精度限定了這一“宇宙輕量級”的質量。

  可以說,中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學中,它們在大尺度結構的形成中扮演著重要角色;而在粒子物理學中,它們微小但非零的靜止質量令它們與眾不同,表現(xiàn)出了超出我們當前理論的新的物理現(xiàn)象。如果沒有中微子質量尺度的測量,我們對宇宙的理解將會變得不完整。

  這就是KATRIN實驗所面臨的挑戰(zhàn)。該實驗已成為世界上對中微子最靈敏的測量“天平”。它利用氚(一種不穩(wěn)定的氫同位素)的β衰變,通過衰變過程中釋放的電子的能量分布來確定中微子的質量。這需要一項重大的技術努力:這個70米長的實驗裝置容納了世界上最強的氚源,以及一臺巨型光譜儀,用于以前所未有的精度測量中微子的質量。

  2019年開始科學測量后,數(shù)據(jù)的精度在過去兩年里不斷提高。該實驗的共同發(fā)言人表示,KATRIN是一項技術要求最高的實驗,現(xiàn)在運行得非常完美。信號速率的提高和背景速率的降低是新結果的決定性因素。

  第一年的測量數(shù)據(jù)和基于一個極小的中微子質量模型的實驗數(shù)據(jù)完全匹配:由此可以確定0.8?eV的中微子質量的新上限。這是直接中微子質量實驗首次進入宇宙學和粒子物理上重要的sub-eV質量范圍,科學家假設中微子的基本質量標度在這個范圍內。美國北卡羅來納大學中微子專家約翰·威爾克森評論說:“粒子物理界為KATRIN實驗打破了1電子伏特的界限而感到興奮。”

  KATRIN實驗的共同發(fā)言人和分析協(xié)調員對未來非常樂觀:“對中微子質量的進一步測量將持續(xù)到2024年底。為了實現(xiàn)這一獨特實驗的全部潛力,我們不僅將穩(wěn)步增加信號事件的統(tǒng)計數(shù)據(jù),還將不斷開發(fā)和安裝改進措施?!?/p>

  一種新探測器系統(tǒng)(TRISTAN)的開發(fā)在這方面發(fā)揮了特殊的作用,它將允許KATRIN實驗從2025年開始著手尋找質量在千電子伏特范圍內的“無菌”中微子——這也是宇宙中神秘暗物質的候選者,已經在許多天體物理和宇宙學觀測中被發(fā)現(xiàn),但其粒子物理性質仍是個謎。


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