被称为中微子的类似鬼魂的粒子几乎不会与普通物质相互作用，这赋予了这些微小的幽灵至高无上的隐藏能力。它们是如此难以捉摸，以至于在它们最初发现后的几十年里，物理学家仍然没有确定它们的质量。但最近，通过将它们放到 200 吨的“中微子规模”上，科学家们对中微子的质量设置了新的限制。
结果：它非常非常小。
借助世界上最灵敏的中微子尺度，物理学家分析了大量数据，以确定难以捉摸的粒子的重量不超过 0.8 电子伏特 (eV)，这是第一次有实验将任何亚原子重量的阈值推到 1 eV 以下。粒子。相比之下，一个电子的重量约为 511,000 eV，即 9.11 x 10^-31 千克。
中微子谜题
中微子可能是物理学中所有已知粒子中最麻烦的。在粒子物理学的标准模型中，即自然如何在基本层面上运作的黄金标准解释中，中微子根本不应该有任何质量。这是因为粒子对其量子领域的其余部分的内向态度。其他粒子，如电子，通过与希格斯玻色子粒子产生的量子场相互作用来获得质量。（想象一下，一个粒子在水池中微风拂过，而另一个粒子不得不穿过一桶糖蜜，你可以看到希格斯场如何将不同的质量赋予与之相互作用的粒子。）但中微子不存在这样的机制，所以几十年来物理学家只是假设像光子一样，小粒子是完全没有质量的。
这种无质量中微子的想法在物理学领域已经应用了一段时间，即使在了解了更多关于中微子的信息之后，例如它们有三种类型，或者说“味道”，一种代表它们可以相互作用的每一种参与：电子中微子与电子一起出现；介子-中微子与介子配对；tau 中微子与 tau 粒子一起存在。这种味道的想法很适合无质量的中微子。但在 1960 年代，物理学家开始注意到这三种中微子可以“振荡”，或者在旅行时从一种味道变成另一种味道。
为了在味道之间振荡，中微子需要质量。事实证明，就像味道一样，存在三种不同的中微子质量。为了使振荡起作用，三个质量必须大于零，并且都不同。这样，三个质量以不同的速度行进，并且味道根据三个质量的量子状态而振荡。如果质量都为零，中微子将以光速传播，没有机会振荡。然而，每种质量都不会与单独的风味对齐，而是每种风味都由这些质量的混合组成。例如，我们所看到的电子中微子是具有三种不同质量的三种不同中微子的复杂组合。
迄今为止，物理学家还不知道这三种中微子的质量。它们仅具有各种实验对总组合中微子质量和不同中微子之间质量差异的一些限制。
追逐衰变
确定任何中微子种类的质量将对粒子物理学有很大帮助，因为我们不知道它们是如何具有质量的。那里有很多理论模型，但我们不知道哪个是正确的。一个已知的质量可以帮助这项工作。
在德国，卡尔斯鲁厄理工学院的 KATRIN（卡尔斯鲁厄氚中微子实验）装置就是为了做到这一点而设计的。该设备具有大量的氚和一个巨大的 200 吨（180 公吨）光谱仪，用于测量电子的能量。
氚是一种稀有的放射性氢同位素，含有一个质子和两个中子。它通过称为β衰变的过程自然分解，其中原子核内的一个中子自发地转变为质子（通过涉及弱核力的相互作用）。结果？转变导致电子和电子反中微子的发射，电子中微子的反粒子伙伴。
反应释放的能量由氚原子的核能决定，因此电子和中微子之间必须共享总计 18.6 keV 的能量。因为氚是一个如此轻的原子，所以这是中微子可能拥有的最低能量之一，这使得微小中微子质量的测量尽可能容易。
有时反应会给中微子更多的能量，有时更少。剩下的任何东西都必须进入电子。如果中微子是无质量的，那么它可以拥有的能量没有下限，就像光子可以拥有的能量没有下限一样。但是，如果中微子确实有质量，那么它将始终具有其静止质量能量，这意味着由于其质量而存储在静止中微子内部的能量。（请记住，根据爱因斯坦的著名方程E=mc^2，能量等于质量乘以一个常数，即光速的平方。）电子永远不会获得静止质量的能量。
因此，KATRIN 的游戏名称是使用其巨型光谱仪测量来自氚衰变的电子的能量。最高能量的电子将具有接近 18.6 eV 的能量，但会下降一点点。这种差异正是由于中微子的质量。
超越界限
用 KATRIN 测量中微子质量始于 2019 年，现在物理学家已经把它归结为一门科学。“KATRIN 作为一项具有最高技术要求的实验，现在正在像一个完美的发条一样运行，”项目负责人、该实验的两位联合发言人之一、来自 KIT 的 Guido Drexlin 说。
该实验需要大量的氚衰变反应。KIT 的协调员 Magnus Schlösser 和慕尼黑马克斯普朗克物理与技术大学的 Susanne Mertens 说：“这项费力且复杂的工作是排除我们的结果因扭曲过程而产生的系统性偏差的唯一方法。” 这些“失真”是所有可能的污染源，它们也会影响信号中的电子能量，例如磁场的影响和检测器的低效率。
在最新版本中，该团队测量了超过 350 万个单独电子的能量。这个数字本身代表了氚发射的所有电子的不到千分之一，因为该团队只对探测中微子质量的最高能量电子感兴趣。
经过如此巨大的努力，国际合作宣布确认中微子不大于 0.8 eV。与 KATRIN 的进一步合作将继续完善这一结果，并可能发现其他可能飞来飞去的中微子种类。
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