靜止中微子的質(zhì)量是多少?這是物理學(xué)中尚未解答的重大問題之一。中微子在自然界中發(fā)揮著核心作用。作為國際ECHo合作的一部分，由海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所所長KlausBlaum領(lǐng)導(dǎo)的團隊現(xiàn)在在“稱量”中微子方面做出了重要貢獻。他們的研究結(jié)果發(fā)表在《自然物理學(xué)》上。
使用潘寧陷阱，它極其精確地測量了鈥163同位素在其原子核捕獲電子并轉(zhuǎn)變?yōu)殓C163時的質(zhì)量變化。由此，確定Q值的精度比以前提高了50倍。使用更精確的Q值，可以揭示中微子質(zhì)量測定中可能存在的系統(tǒng)誤差。
20世紀30年代，人們發(fā)現(xiàn)原子核的放射性β衰變中的能量平衡和動量平衡都不正確。這導(dǎo)致了“幽靈粒子”的假設(shè)，“秘密”帶走能量和動量。1956年，這種中微子終于得到了實驗證明。挑戰(zhàn)：中微子僅通過弱相互作用與其他物質(zhì)粒子相互作用，這也是原子核β衰變的基礎(chǔ)。
因此，來自宇宙，特別是太陽的中微子每秒都可以穿過我們的身體，而不會造成任何損害。極其罕見的中微子與其他物質(zhì)粒子的碰撞只能用巨大的探測器來探測。
太陽中微子帶來了另一個突破性的啟示：迄今為止已知的三種中微子可以相互轉(zhuǎn)化。然而，這些“中微子振蕩”對粒子物理學(xué)的世界觀產(chǎn)生了嚴重的影響。此前，人們認為中微子像光子一樣沒有靜止質(zhì)量。
這將與粒子物理學(xué)的標準模型兼容，這是迄今為止對粒子世界的最佳描述。然而，振蕩迫使中微子產(chǎn)生靜止質(zhì)量——這進一步表明新的物理學(xué)必須存在于標準模型之外。
因此，了解中微子的確切靜止質(zhì)量將成為通向新物理學(xué)未知世界的大門。不幸的是，你不能簡單地將中微子放在天平上。這需要對涉及中微子的技術(shù)上可實現(xiàn)的物理過程進行極其復(fù)雜的實驗。
“一種方法是氚的β衰變，”馬克斯·普朗克核物理研究所克勞斯·布勞姆系的博士生克里斯托夫·施威格解釋道。在這里，超重氫中的兩個中子之一衰變成質(zhì)子并發(fā)射電子和中微子，從而將原子轉(zhuǎn)變?yōu)檩^輕的氦。這個過程由卡爾斯魯厄理工學(xué)院的KATRIN實驗“衡量”。
“補充途徑是人造同位素鈥163的電子捕獲，”Schweiger繼續(xù)說道。在這里，原子核從內(nèi)部電子殼層捕獲電子，從而將質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，從而產(chǎn)生元素鏑-163。除其他外，這還會釋放出中微子。海德堡科學(xué)家參與的國際ECHo合作項目試圖以極其精確的方式積極測量這一衰變過程。
根據(jù)愛因斯坦的E=mc2，質(zhì)量和能量是等價的，因此測量能量可以等同于稱量質(zhì)量。作為“熱量計”，ECHo極其精確地測量這次衰變中釋放的總能量：這對應(yīng)于Q值的最大值減去所釋放的中微子的剩余質(zhì)量。為此，將鈥163同位素摻入金原子層中。
“然而，這些金原子可能會對鈥163產(chǎn)生影響，”Schweiger解釋道。“因此，重要的是使用替代方法盡可能精確地測量Q值，并將其與量熱測定值進行比較，以檢測可能的系統(tǒng)誤差源。”
這就是海德堡五層陷阱實驗和施威格的博士論文發(fā)揮作用的地方。Pentatrap由五個潘寧陷阱組成。在這些陷阱中，帶電原子可以在靜電和磁場的組合中被捕獲。
這些離子會表演復(fù)雜的“圓圈舞”，從而可以極其精確地確定它們的質(zhì)量。“對于最大負載的空中客車A-380，您可以利用這種靈敏度來確定是否有一滴水落在其上，”這位物理學(xué)家在說明這種超大規(guī)模的功能時說道。
原則上，潘寧陷阱的工作原理類似于秋千。如果將兩個體重不同的孩子并排放置在兩個相同類型的秋千上，并用同樣的力氣推動他們，您將逐漸觀察到秋千頻率的變化。這可以用來計算兩個孩子之間的體重差異。
在五阱實驗中，這是鈥163離子和鏑163離子之間的質(zhì)量差。此外，兩個孩子擺動得越快，得到結(jié)果就越早，在相同的觀察時間下，結(jié)果也比慢速擺動要準確得多。
因此，研究小組在三個不同系列的測量中從“高電荷”離子中去除了38、39和40個電子，這使得它們的“圓圈舞”速度顯著加快。“如果一切順利，測量只需幾周時間，”施威格說。
根據(jù)不同頻率測量產(chǎn)生的質(zhì)量差異，通過E=mc2，海德堡科學(xué)家最終能夠確定電子捕獲的Q值，該值比以前精確50倍。“三個理論小組的貢獻，包括研究所的克里斯托夫·凱特爾小組，與我們的測量一樣重要，”施威格強調(diào)說。
除了兩個離子之間的頻率差之外，第二個變量對確定的Q值也有顯著影響：高電荷離子的剩余電子系統(tǒng)中存儲的能量。由于如此大的離子是一個多粒子系統(tǒng)，計算也相應(yīng)復(fù)雜。
事實證明，在去除38、39和40個電子的情況下，計算得出的三個測量電荷態(tài)的Q值幾乎完全相同。施威格熱情地強調(diào)，這清楚地表明實驗和理論中的系統(tǒng)不確定性可以被排除。這對中微子質(zhì)量意味著什么?
KATRIN通過每光速平方0.8電子伏的“稱重”確定了迄今為止最精確的中微子質(zhì)量上限，這相當于難以想象的0.0000000000000000000000000000000000014千克。
10-36這個數(shù)量級大約對應(yīng)于四顆葡萄干和太陽之間的重量比。而這只是一個上限。對宇宙中估計質(zhì)量分布的分析甚至得出中微子質(zhì)量的上限明顯較低，即每光速平方0.12電子伏特。
“然而，這種分析非常復(fù)雜，并且取決于所使用的宇宙學(xué)模型，”施威格說。無論如何，很明顯，任何想要稱量中微子的人都面臨著技術(shù)上可能的極限挑戰(zhàn)。在此背景下，海德堡的結(jié)果是在解開中微子質(zhì)量之謎的道路上向前邁出的步。
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