芬兰科学家揭开中微子之谜：核衰变背后的隐藏质量探索

芬兰的研究人员取得了一项重大突破，可能揭开物理学中最大的谜团之一，通过达到十亿分之一的精度来测量核衰变能量。

该团队由鲁奥斯塔莱宁（Jouni Ruotsalainen）领导，他是于韦斯塔基拉大学的博士研究员，该团队在中微子研究方面取得了重大进展，中微子是微小的、像幽灵一样的粒子，极其难以被探测。

理解中微子的性质可能有助于我们解释宇宙是怎么形成的，恒星是怎么演化的，以及中微子是否是它们自己的反粒子，因为这些中微子就像幽灵一样穿过地球，甚至穿过我们的身体。

鲁奥斯塔莱宁说：“中微子的质量和反粒子特性可以通过测量原子核的放射性β衰变和双β衰变来研究。可能有几十种适合进行这类研究的原子核。”

他透露，只有几十个原子核适合进行这样的研究，而衰变中释放的能量被称为Q值，它决定了一个原子核是否可以被使用。

重新定义粒子物理

根据粒子物理的标准模型，中微子被认为只通过弱核力进行相互作用，这使得它们的性质极难测量。

然而，科学家们已经确认中微子确实具有质量，因此违背了模型的预测，尽管它们的确切质量仍然未知，目前只确定了上限。

在这项研究中，Ruotsalainen 测量了两个双β衰变核和一个β衰变核的 Q 值。研究小组使用 JYFLTRAP 双潘宁陷阱进行测量，这是一台世界级的仪器，位于该大学的加速器实验室。

“观察到 0νββ 衰变 [无能量中微子的双 β 衰变] 也将表明中微子是它自己的反粒子，并指向赋予中微子质量的机制，”研究小组表示。

Ruotsalainen 观察到，由带正电的质子和中性中子组成的 原子核 在强大的磁场下，沿着圆形路径在陷阱中移动。

“通过使用相位成像离子回旋共振方法测量两个核的旋转频率，我们能够以超过十亿分之一的精度确定相对质量差异，”他说。“我们所能达到的精度是世界一流的。”

更接近宇宙起源

新测量的 Q 值 与大学的核理论组合作，用于计算每个衰变的半衰期。由于这些衰变通常发生在非常长的时间尺度上，半衰期有助于预测在旨在测量中微子质量的实验中可以实际观察到多少衰变事件。

“在这项工作中测量的双β衰变核的半衰期是如此之长，以至于在合理的时间内无法观察到足够的衰变来确定中微子的质量或其反粒子特性，”Ruotsalainen说。

研究结果表明，虽然一些双β衰变核并不理想或实用于近期测量，但一种同位素，银-110（Ag-110），可能是未来中微子研究的有希望的候选者。

“然而，银-110同位素的异构体计算出的β衰变半衰期及其其他特性，使其成为中微子质量测量的理想候选者，”Ruotsalainen表示。