填補中微子質量缺失的空白

每秒都有超過1000億個來自太陽核心的中微子穿透人體。中微子是粒子物理學標準模型中的一種電中性基本粒子。物理學家用“味”來描述不同的中微子，分別是：電子中微子、 μ 子中微子和τ子中微子。它們的性質各不相同。中微子在空間中移動時會在上述這些不同狀態之間振蕩，這表明，不同味的中微子質量不同。然而，中微子本身又是唯一一種質量尚不為我們所知的基本粒子。2025年4月，卡爾斯魯厄氘中微子實驗（KATRIN）合作團隊在《科學》（Science）雜志上發表文章，報告了他們的最新觀測結果：他們縮小了中微子質量的范圍。根據他們的最新實驗結果，中微子質量上限為 0.45eV; ，置信水平 90% 。這意味著，中微子的質量小于電子的百萬分之一。這個基本量的確定可以進一步發展粒子物理學標準模型，進而幫助我們更好地認識宇宙。

KATRIN利用氘（氫的一種放射性同位素，一個氘原子有兩個中子和一個質子）的β衰變確定中微子質量。當氙原子發生 β 衰變時，原子核中的一個中子釋放一個電子和一個反電子中微子（電子中微子的反粒子，和電子中微子質量相同，但量子特性相反）后變成質子。反電子中微子與附近其他粒子之間的相互作用相當微弱，因而無法探測。這類衰變釋放的最大能量是固定的，由產物中的電子和反電子中微子共享。因此，產物中的電子能接收的最大能量由兩個因素之間的差值決定：一是這類衰變能釋放的總能量；二是產生反電子中微子所需的能量。而第二個因素就與反電子中微子的質量相關。如果能以高精確度測量β衰變過程中釋放的電子能量，便能通過分析能譜推斷中微子質量，具體方法則是在能譜最大能量（稱為“端點”）附近區域中尋找能譜形狀的微小偏差。

因為這個方法背后的原理只涉及能量和動量守恒，所以它是目前唯一一條在不依賴特定理論模型的前提下推斷中微子質量的途徑。

不過，簡單的概念背后往往隱藏著難以置信的困難。氙天然存在于雙原子分子中，因此，電子能譜端點處的偏移總是相當復雜。另外，氙衰變中那些能量接近最大值的電子占比不到千億分之一。這兩大因素對氙原子來源的純度和實驗本身的設計提出了極高的要求。

為了克服這些困難，KATRIN團隊建造了一座長70米的極為復雜的設備。在接近設備一端的原料艙內，氙原子的活動水平保持在100GBq（也即每秒發生1000億次衰變）。如此頻繁的衰變會產生海量電子，但每秒只會有 1 個電子抵達另一端的探測器。帶靜電過濾器的磁絕熱準直管過濾了絕大多數電子，以規避不攜帶中微子質量信息的低能量電子進入探測器進而影響計數。實驗人員把這個關鍵組件安裝在超高真空中，以防止電子與空氣中的粒子接觸、碰撞進而損失能量。另外，實驗團隊還克服了巨大困難，成功抑制了意外產生的背景信號，有效處理了不同實驗設定下獲取的分析數據。因此，KATRIN整合了所有必不可少的技術，從保存高純度氙原子源到建模分析復雜磁場環境中電子的運動狀況。

2019-2021年，KATRIN團隊在前5次中微子質量測量行動（總實驗時間259天）中收集了大約3600萬個電子。之后，他們準確測量了這些電子的能量，現在得到的結果是：中微子質量的最嚴格上限是 0.45eV， ，置信水平 90% 。這是KATRIN第三次縮小電子中微子的有效質量上限，充分反映了意料之中的實驗靈敏度。

2025年，在總數據收集時長達到1000天后，KATRIN團隊就會終止中微子質量測量行動。之后，研究人員就會全面分析在這個龐大項目中收集的所有數據。按照現在的估計，屆時得到的有效中微子質量大概是 0.3eV， ，置信水平 90% 。此外，如此高質量的數據對檢驗粒子物理學標準模型之外的物理學理論也頗為重要。舉例來說，這些數據可以幫助我們驗證某些假想中的粒子（比如光惰性中微子）究竟是否存在，幫助我們尋找宇宙誕生之時產生并隨后構成宇宙中微子背景的遺跡中微子。

雖然哪怕只是輕微提高實驗對中微子質量的靈敏度都相當困難，但事實證明，我們現在確實有辦法探測這個基本量。

隨著更高純度氙原子源的出現和高能量分辨率探測方法的進步，KATRIN的進階版也已經啟動。另外，還有一些研究團隊則在探索通過分析弱核衰變的能譜高能區域確定中微子質量的實驗。“8號計劃”、“中微子質量量子技術”（QTNM）和“光、早期宇宙、大質量中微子產率彭泰科爾沃氙天文臺”（PTOLEMY）也計劃在實驗裝置中使用氙原子。“鈥163電子捕獲實驗”（ECHo）和“霍爾姆斯”（Holmes）實驗則試圖通過分析用低溫微熱計測量得到的特定鈥原子同位素捕獲電子能譜端點區域確定中微子質量。雖然哪怕只是輕微提高實驗對中微子質量的靈敏度都相當困難，但事實證明，我們現在確實有辦法探測這個基本量，這樣的前景激勵著越來越多的研究人員加入探測中微子質量的行列。