物理学家离神秘的“惰性中微子”更近一步

《自然》杂志发表的一项新研究报告了迄今最精确的惰性中微子直接搜索结果。这项研究由KATRIN合作组完成，他们通过分析氚的放射性衰变，来寻找是否存在额外中微子类型的细微迹象。KATRIN（卡尔斯鲁厄氚中微子）实验最初旨在测量中微子质量。它通过精确追踪氚β衰变过程中释放的电子能量来实现这一目标。当氚发生衰变时，中微子会带走部分能量，这会略微改变发射电子的能量分布模式。如果有时会产生惰性中微子，就会在该模式中留下可识别的扭曲，即“拐点”。KATRIN实验装置位于德国卡尔斯鲁厄理工学院，长度超过70米。其设备包括一个强大的无窗气态氚源、一个能精确测量电子能量的高分辨率光谱仪以及一个记录粒子的探测器。自2019年开始运行以来，该实验以无与伦比的精度收集了氚β衰变数据，专门用于寻找惰性中微子可能导致的微小偏差。数据揭示的惰性中微子信息 在《自然》杂志的新论文中，该团队报告了迄今为止对惰性中微子最灵敏的氚β衰变搜索结果。2019年至2021年间，KATRIN在259天的数据采集期内记录了约3600万电子。这些测量结果与详细的β衰变模型进行了比较，精度超过1%。分析未发现惰性中微子存在的证据。这一结果排除了早期异常现象所暗示的多种可能性。这些异常现象包括反应堆中微子实验和镓源测量中出现的意外亏损，两者都曾暗示存在第四种中微子。该发现还与Neutrino-4实验的结果完全矛盾，后者曾声称发现了这种粒子的证据。KATRIN极低的背景噪声意味着几乎所有探测到的电子都来自氚衰变，从而能够对能谱进行非常纯净的测量。与振荡实验（观察中微子在传播一段距离后如何改变身份）不同，KATRIN研究的是中微子产生瞬间的能量分布。由于这些方法探测中微子行为的不同方面，它们相互补充，共同为否定惰性中微子假说提供了有力证据。KATRIN如何补充其他实验 领导这项分析的海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的蒂埃里·拉塞尔解释道：“我们的新结果与STEREO等反应堆实验完全互补。虽然反应堆实验对低于几电子伏特平方的惰性-活性中微子质量分裂最为敏感，但KATRIN探索的范围是几到几百电子伏特平方。这两种方法现在一致排除了会与已知中微子类型发生明显混合的轻惰性中微子。”展望更多数据和新探测器 KATRIN将持续收集数据至2025年，这将进一步提高其灵敏度，并能对轻惰性中微子进行更严格的检验。KATRIN联合发言人、卡尔斯鲁厄理工学院的卡特琳·瓦勒留斯表示：“到2025年数据采集完成时，KATRIN将在感兴趣区域记录超过2.2亿个电子，统计数据将增加六倍以上。这将使我们能够突破精度极限，探测低于当前限制的混合角。”计划于2026年进行升级，届时将为实验添加TRISTAN探测器。TRISTAN将以前所未有的统计数据记录完整的氚β衰变能谱。通过绕过主光谱仪并直接测量电子能量，TRISTAN将能够研究质量大得多的惰性中微子。联合发言人、马克斯·普朗克核物理研究所的苏珊·默滕斯说：“这种下一代装置将为千电子伏特质量范围打开新的窗口，在这个范围内，惰性中微子甚至可能构成宇宙的暗物质。”一项国际科学合作 KATRIN合作组汇集了来自7个国家20多个机构的科学家，体现了这项有史以来最精确的中微子实验之一背后的全球努力。