中微子轻于0.8 eV:实验以前所未有的精确度限制了中微子的质量

诸平

Fig. 1 Mounting of electrodes in the main spectrometer of the KATRIN experiment. Credit: Joachim Wolf/KIT

Fig. 2 The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration

Fig. 3 View into the main spectrometer of the KATRIN experiment to determine the mass of the neutrino on Campus North of KIT. Credit: Markus Breig, KIT

据德国马克斯·普朗克学会(Max Planck Society)2022年2月14日提供的消息， 位于德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology简称KIT)的国际卡尔斯鲁厄氚中微子实验(KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment简称KATRIN)，打破了中微子物理学中与粒子物理学和宇宙学相关的一个重要障碍。根据2022年2月14日发表在《自然物理学》(Nature Physics)杂志网站的最新研究结果——M. Aker, A. Beglarian, J. Behrens, A. Berlev, U. Besserer, B. Bieringer, F. Block, S. Bobien, M. Böttcher, B. Bornschein, L. Bornschein, T. Brunst, T. S. Caldwell, R. M. D. Carney, L. La Cascio, S. Chilingaryan, W. Choi, K. Debowski, M. Deffert, M. Descher, D. Díaz Barrero, P. J. Doe, O. Dragoun, G. Drexlin, K. Eitel, E. Ellinger, R. Engel, S. Enomoto, A. Felden, J. A. Formaggio, F. M. Fränkle, G. B. Franklin, F. Friedel, A. Fulst, K. Gauda, W. Gil, F. Glück, R. Grössle, R. Gumbsheimer, V. Gupta, T. Höhn, V. Hannen, N. Haußmann, K. Helbing, S. Hickford, R. Hiller, D. Hillesheimer, D. Hinz, T. Houdy, A. Huber, A. Jansen, C. Karl, F. Kellerer, J. Kellerer, M. Kleifges, M. Klein, C. Köhler, L. Köllenberger, A. Kopmann, M. Korzeczek, A. Kovalík, B. Krasch, H. Krause, N. Kunka, T. Lasserre, T. L. Le, O. Lebeda, B. Lehnert, A. Lokhov, M. Machatschek, E. Malcherek, M. Mark, A. Marsteller, E. L. Martin, C. Melzer, A. Menshikov, S. Mertens, J. Mostafa, K. Müller, H. Neumann, S. Niemes, P. Oelpmann, D. S. Parno, A. W. P. Poon, J. M. L. Poyato, F. Priester, S. Ramachandran, R. G. H. Robertson, W. Rodejohann, M. Röllig, C. Röttele, C. Rodenbeck, M. Ryšavy, R. Sack, A. Saenz, P. Schäfer, A. Schaller née Pollithy, L. Schimpf, K. Schlösser,  M. Schlösser, L. Schlüter, S. Schneidewind, M. Schrank, B. Schulz, A. Schwemmer, M. Šefčík, V. Sibille, D. Siegmann, M. Slezák, F. Spanier, M. Steidl, M. Sturm, M. Sun, D. Tcherniakhovski, H. H. Telle, L. A. Thorne, T. Thümmler, N. Titov, I. Tkachev, K. Urban, K. Valerius, D. Vénos, A. P. Vizcaya Hernández, C. Weinheimer, S. Welte, J. Wendel, J. F. Wilkerson, J. Wolf, S. Wüstling, J. Wydra, W. Xu, Y.-R. Yen, S. Zadoroghny, G. Zeller. Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity. Nature Physics, 2022, 18: 160-166. DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1. Published: 14 February 2022. www.nature.com/articles/s41567-021-01463-1，其中所报道的数据，中微子质量的新上限为0.8电子伏特(eV)详见“中微子轻于0.8电子伏特:实验以前所未有的精确度限制了中微子的质量（Neutrinos are lighter than 0.8 electronvolts: Experiment limits neutrino mass with unprecedented precision）。”通过一种与模型无关的实验室方法，首次将中微子推进到亚eV质量尺度，这使得KATRIN能够以前所未有的精度约束这些“宇宙中的轻量物质”的质量。图1（Fig. 1）是KATRIN实验中主光谱仪电极的安装图片。

中微子可以说是我们宇宙中最迷人的基本粒子。在宇宙学中，它们在大尺度结构的形成中扮演着重要的角色，而在粒子物理学中，它们微小但非零的质量使它们与众不同，指向了我们当前理论之外的新物理现象。没有测量中微子的质量尺度，我们对宇宙的理解将是不完整的。

这是卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)与来自德国、俄罗斯、美国、捷克、法国以及西班牙六个国家的合作伙伴进行的国际KATRIN实验所面临的挑战，该实验被认为是世界上对中微子最敏感的尺度。它利用氚(一种不稳定的氢同位素)的衰变，通过衰变过程中释放的电子的能量分布来确定中微子的质量。这需要一项重大的技术努力:70米长的实验容纳了世界上强度最大的氚源，以及一个巨大的光谱仪(KATRIN实验设置的示意图见Fig. 2)，以前所未有的精度测量衰变电子的能量。

自2019年开始科学测量以来，数据的高质量在过去两年中不断提高。“KATRIN是一项具有最高技术要求的实验，现在运行起来就像完美的发条装置”，项目负责人、该实验的两名联合发言人之一吉多·德雷克斯林（Guido Drexlin）热情地说。另一名联合发言人德国明斯特大学（University of Münster）的克里斯蒂安·温海默(Christian Weinheimer)补充说，“信号率的增加和背景率的降低是新结果的决定性因素。”

数据分析（Data analysis）

对这些数据的深入分析需要两个协调员领导的国际分析团队的一切努力。这两个协调员分别是德国马克斯·普朗克物理研究所和慕尼黑工业大学(Max Planck Institute for Physics and TU Munich)的苏珊娜·默滕斯（Susanne Mertens）和KIT的马格纳斯·施洛塞尔(Magnus Schlösser)。他们对每一种影响，无论多小，都必须仔细研究。两位分析协调员说：“只有通过这种费力而复杂的方法，我们才能排除由于扭曲过程而导致的结果的系统性偏差。我们特别为我们的分析团队感到自豪，他们成功地承担了这个巨大的挑战，并做出了巨大的承诺。”

第一年测量的实验数据和基于极小中微子质量的建模完全吻合:由此可以确定0.8 eV的中微子质量的新上限(Nature Physics, July 2021)。这是首次一个直接中微子质量实验进入了宇宙学和粒子物理重要的亚eV质量范围，这是中微子的基本质量尺度被怀疑的范围。中微子专家、北卡罗莱纳大学(University of North Carolina)执行委员会主席约翰·威尔克森(John Wilkerson)说:“粒子物理学界对KATRIN打破了1- eV势垒感到兴奋。”

苏珊娜·默滕斯解释了创造新记录的途径:“我们在慕尼黑大规模并行处理机（Massively Parallel Processor简称MPP）的团队为KATRIN开发了一种新的分析方法，该方法专门针对这种高精度测量的要求进行了优化。这一战略已成功地用于过去和现在的结果。我的团队充满动力:我们将继续以新的创意和细致的准确性迎接未来KATRIN分析的挑战。”

图3（Fig. 3）是由KIT的马库斯·布雷格（Markus Breig）提供的KIT北校园确定中微子质量的KATRIN实验主光谱仪。,

进一步的测量应该会提高灵敏度(Further measurements should improve sensitivity)

KATRIN的联合发言人和分析协调员对未来非常乐观:“对中微子质量的进一步测量将持续到2024年底。为了充分发挥这一独特实验的潜力，我们不仅将稳步增加信号事件的统计数据，我们还将继续开发和安装改进，以进一步降低背景率。”

一个新的探测器系统(TRISTAN) 的开发展在此过程中扮演了一个特定角色,让KATRIN从2025年开始寻找质量KeV范围内的“无菌”中微子（"sterile" neutrinos）,候选者的神秘暗物质在宇宙中已经体现在许多天体物理学和宇宙学观测之中,但其粒子物理性质仍然未知。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Search for sterile neutrinos: It's all about a bend in the curve

Abstract

Since the discovery of neutrino oscillations, we know that neutrinos have non-zero mass. However, the absolute neutrino-mass scale remains unknown. Here we report the upper limits on effective electron anti-neutrino mass, m_ν, from the second physics run of the Karlsruhe Tritium Neutrino experiment. In this experiment, m_ν is probed via a high-precision measurement of the tritium β-decay spectrum close to its endpoint. This method is independent of any cosmological model and does not rely on assumptions whether the neutrino is a Dirac or Majorana particle. By increasing the source activity and reducing the background with respect to the first physics campaign, we reached a sensitivity on m_ν of 0.7 eVc^–2 at a 90% confidence level (CL). The best fit to the spectral data yields  eV²c^–4, resulting in an upper limit of m_ν < 0.9 eVc^–2 at 90% CL. By combining this result with the first neutrino-mass campaign, we find an upper limit of m_ν < 0.8 eVc^–2 at 90% CL.