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0.8電子伏特!中微子質(zhì)量上限又有新紀(jì)錄

2022-02-16 10:00:42科技日?qǐng)?bào)

0.8電子伏特!中微子質(zhì)量上限又有新紀(jì)錄

研究人員在KATRIN實(shí)驗(yàn)裝置的主光譜儀中安裝電極。圖片來源:約阿希姆·沃爾夫/德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院

科技日?qǐng)?bào)北京2月14日電 (實(shí)習(xí)記者張佳欣)德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院的國(guó)際氚中微子實(shí)驗(yàn)(KATRIN)打破了中微子物理學(xué)中與粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)相關(guān)的一個(gè)重要“界限”——1電子伏特(eV)。德國(guó)馬克斯普朗克物理研究所當(dāng)?shù)貢r(shí)間14日消息,據(jù)發(fā)表在著名期刊《自然·物理學(xué)》上的數(shù)據(jù),科學(xué)家已獲得了中微子質(zhì)量新上限:0.8 eV,首次將中微子的質(zhì)量推向sub-eV級(jí),這使得KATRIN能以前所未有的精度限定了這一“宇宙輕量級(jí)”的質(zhì)量。

可以說,中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙學(xué)中,它們?cè)诖蟪叨冉Y(jié)構(gòu)的形成中扮演著重要角色;而在粒子物理學(xué)中,它們微小但非零的靜止質(zhì)量令它們與眾不同,表現(xiàn)出了超出我們當(dāng)前理論的新的物理現(xiàn)象。如果沒有中微子質(zhì)量尺度的測(cè)量,我們對(duì)宇宙的理解將會(huì)變得不完整。

這就是KATRIN實(shí)驗(yàn)所面臨的挑戰(zhàn)。該實(shí)驗(yàn)已成為世界上對(duì)中微子最靈敏的測(cè)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(zhì)量。這需要一項(xiàng)重大的技術(shù)努力:這個(gè)70米長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置容納了世界上最強(qiáng)的氚源,以及一臺(tái)巨型光譜儀,用于以前所未有的精度測(cè)量中微子的質(zhì)量。

2019年開始科學(xué)測(cè)量后,數(shù)據(jù)的精度在過去兩年里不斷提高。該實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人表示,KATRIN是一項(xiàng)技術(shù)要求最高的實(shí)驗(yàn),現(xiàn)在運(yùn)行得非常完美。信號(hào)速率的提高和背景速率的降低是新結(jié)果的決定性因素。

第一年的測(cè)量數(shù)據(jù)和基于一個(gè)極小的中微子質(zhì)量模型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完全匹配:由此可以確定0.8 eV的中微子質(zhì)量的新上限。這是直接中微子質(zhì)量實(shí)驗(yàn)首次進(jìn)入宇宙學(xué)和粒子物理上重要的sub-eV質(zhì)量范圍,科學(xué)家假設(shè)中微子的基本質(zhì)量標(biāo)度在這個(gè)范圍內(nèi)。美國(guó)北卡羅來納大學(xué)中微子專家約翰·威爾克森評(píng)論說:“粒子物理界為KATRIN實(shí)驗(yàn)打破了1電子伏特的界限而感到興奮。”

KATRIN實(shí)驗(yàn)的共同發(fā)言人和分析協(xié)調(diào)員對(duì)未來非常樂觀:“對(duì)中微子質(zhì)量的進(jìn)一步測(cè)量將持續(xù)到2024年底。為了實(shí)現(xiàn)這一獨(dú)特實(shí)驗(yàn)的全部潛力,我們不僅將穩(wěn)步增加信號(hào)事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),還將不斷開發(fā)和安裝改進(jìn)措施?!?/p>

一種新探測(cè)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(shí)驗(yàn)從2025年開始著手尋找質(zhì)量在千電子伏特范圍內(nèi)的“無菌”中微子——這也是宇宙中神秘暗物質(zhì)的候選者,已經(jīng)在許多天體物理和宇宙學(xué)觀測(cè)中被發(fā)現(xiàn),但其粒子物理性質(zhì)仍是個(gè)謎。

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