KATRIN实验以高精度测量中微子质量

中微子可以说是宇宙中最吸引人的基础粒子。在宇宙学中，它们在大尺度结构的形成中发挥着重要作用，而在粒子物理学中，它们非常小的质量使它们与众不同，指出了超出我们现有理论的新物理现象。

如果不对中微子的质量进行测量，我们对宇宙的理解将是不完整的。而测量世界上最敏感的中微子，这就是位于 KIT 的国际 KArlsruhe TRItium Neutrino（KATRIN）实验所面临的挑战。该实验有来自全球 6 个国家的合作伙伴参与其中。

KATRIN 利用不稳定氢同位素氚的β衰变，通过衰变过程中释放的电子的能量分布来确定中微子的质量。这需要一项重大的技术努力。这个70米长的实验包含了世界上最强烈的氚源，以及一个巨大的光谱仪，以前所未有的精度测量衰变电子的能量。在 2019 年开始科学测量后，在过去的两年里，数据的高质量得到了持续的改善。

来自 KIT 的 Guido Drexlin 教授和来自明斯特大学的 Christian Weinheimer 教授是项目负责人，以及实验的共同发言人。Drexlin 教授说：“KATRIN 作为一个具有最高技术要求的实验，现在正像一个完美的钟表一样运行着”。Weinheimer 教授补充说：“背景率的降低和信号率的提高对新的结果起着决定性作用”。

如何深入分析实验数据是一个巨大的挑战。目前负责分析的团队由 KIT 的 Magnus Schlösser 博士、马克斯·普朗克物理研究所和慕尼黑工业大学的 Susanne Mertens 教授共同领导。Schlösser 表示：“对中微子质量的每一个影响，无论多么微小，都必须进行详细的调查。这种费力而复杂的工作是排除我们的结果因扭曲过程而出现系统偏差的唯一途径”。

他们继续说道：“我们为我们的分析团队感到特别自豪，他们以极大的决心接受了这一巨大的挑战并获得了成功。来自第一年测量的实验数据和基于极小的中微子质量的建模完全匹配。科学家们指出，这使他们能够确定中微子质量的新上限为0.8eV。这是直接中微子质量实验首次进入与宇宙学和粒子物理学高度相关的亚eV质量范围，因为中微子的基本质量尺度被认为在这里”。

中微子专家、北卡罗来纳大学的约翰-威尔克森（KATRIN 执行委员会主席）评论说：“粒子物理学界对KATRIN打破1-eV的障碍感到兴奋”。

Schlösser 强调说：“这一成功的决定性基础是，在卡尔斯鲁厄氚实验室将源提升到额定源强度，以及光谱仪、探测器和低温基础设施的运行都很顺利。这要归功于我们高度积极的工作人员的专业奉献，他们支持了这项大规模的实验”。

更多关于这项研究的信息，可以访问 New World Record: “Ghost Particle” Experiment Limits Neutrino Mass With Unprecedented Precision.

参考: “Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity” by The KATRIN Collaboration, 14 February 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1