科学家距离了解幽灵中微子的质量又近了一步——可能为新物理学铺平道路

通过精确测量中微子（每秒数十亿次穿过你身体的幽灵粒子）的质量，物理学家可以在粒子物理标准模型中发现一些明显的漏洞。一项新的实验使他们又近了一步。

物理学家在测量一种被称为中微子的难以捉摸的“幽灵粒子”的质量方面迈出了一小步，但意义重大——这一成就可能会在粒子物理的标准模型中戳出一个重大漏洞。 

对中微子质量的精确测量将使物理学家能够更深入地研究宇宙的演化，并有可能发现隐藏在标准模型之外的新的、未被发现的物理现象。但是测量这个质量并不容易。这些粒子的怪异绰号是当之无愧的：它们缺乏电荷，几乎没有质量，这意味着它们以接近光速的速度直接穿过常规物质。 

因此，为了接近中微子质量的最精确上限，研究人员必须设计一个具有前所未有的灵敏度的实验。他们在 4 月 19 日发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中报告了他们的发现。

“对于最大负载的空客 A-380，您可以利用这种灵敏度来确定是否有一滴水落在其上，”马克斯·普朗克研究所的博士生 Christoph Schweiger德国核物理学家和该研究的第一作者在一份声明中表示。

每一秒，大约有 1000 亿个中微子穿过您身体的每平方厘米。这些微小粒子无处不在——在恒星的核火中、在巨大的超新星爆炸中、在宇宙射线和放射性衰变中、在地球上的粒子加速器和核反应堆中产生。

事实上，中微子于 1956 年首次从核反应堆中被发现，是宇宙中仅次于光子（轻粒子）的最丰富的亚原子粒子。

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过去，物理学家假设中微子（很像光子）没有静止质量——这一事实使得它们的存在与粒子物理学的标准模型兼容。但这一假设受到了从太阳流出的中微子的发现的挑战，中微子可以在中微子的三种“味道”之间随机切换——电子、μ子和τ中微子，它们指的是与中微子相互作用的不同粒子。

只有中微子具有一定的质量，这种转变才可能实现，这导致物理学家设计复杂的实验来测量它。

体重秤上的幽灵

从技术上讲，三种中微子味道之间的量子力学混合的奇怪性意味着它们都没有明确定义的质量。相反，它们是三种不同“质量状态”的组合。这意味着物理学家并不是在寻找中微子质量的精确读数，而是在寻找该质量的上限。

任何物体（包括我们自己的身体）近 99% 的质量都来自于原子内部将基本粒子结合在一起的结合能。然而，其余 1% 的质量是这些粒子固有的。

为了找到这个内在质量，物理学家寻找一种称为 Q 值的东西，即初始反应物的质量总和与最终产物的质量总和之间的差值。有了这个值，进一步的测量就可以从原子的总质量中提取内在质量。

德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验 (KATRIN) 是一项中微子质量测量实验，通过测量超重氢衰变时的能量（因此，根据爱因斯坦的 E=mc2，即质量差），找到了对中微子质量的精确估计。进入氦气，在此过程中发射出电子和中微子。

KATRIN 实验的最佳结果发现中微子质量上限为 0.8 电子伏特，使其比电子质量小大约 500,000 倍。

这种测量也可以通过观察人造同位素钬163捕获电子、将其转化为镝163并释放中微子来反向进行。但要做到这一点，同位素必须被金原子包围。

“然而，这些金原子可能会对钬163产生影响，”施威格说。 “因此，使用替代方法尽可能精确地测量 Q 值非常重要”，并将其与通过 KATRIN 方法确定的质量值进行比较，以检测可能的误差源。

为了更接近于对中微子难以捉摸的质量进行单独测量，研究人员设计了一项名为 Penantrap 的实验，它是五个“彭宁陷阱”的组合，可以捕获电场和磁场组合内的原子，其中它们以一种被称为“圆圈舞”的复杂动作摇摆。

通过将带电钬 163 和镝 163 离子放入潘宁陷阱内并测量其摆动速率的细微差异，物理学家测量了额外中微子引起的能量差异。

研究人员表示，Q 值的测量结果比之前任何实验的结果精确 50 倍。有了这个结果，中微子质量的更好上限就近了一小步，但也是重要的一步。