天平上的幽靈粒子研究提供了更精確的中微子質(zhì)量測(cè)定

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(wèn)題之一。中微子在自然界中發(fā)揮著核心作用。作為國(guó)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(zhǎng)KlausBlaum領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在在“稱量”中微子方面做出了重要貢獻(xiàn)。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(cè)量了鈥163同位素在其原子核捕獲電子并轉(zhuǎn)變?yōu)殓C163時(shí)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(cè)定中可能存在的系統(tǒng)誤差。

20世紀(jì)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(dòng)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(dòng)量。1956年，這種中微子終于得到了實(shí)驗(yàn)證明。挑戰(zhàn)：中微子僅通過(guò)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(lái)自宇宙，特別是太陽(yáng)的中微子每秒都可以穿過(guò)我們的身體，而不會(huì)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(cè)器來(lái)探測(cè)。

太陽(yáng)中微子帶來(lái)了另一個(gè)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(duì)粒子物理學(xué)的世界觀產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。此前，人們認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)模型兼容，這是迄今為止對(duì)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(jìn)一步表明新的物理學(xué)必須存在于標(biāo)準(zhǔn)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(jiǎn)單地將中微子放在天平上。這需要對(duì)涉及中微子的技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)的物理過(guò)程進(jìn)行極其復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。

“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(gè)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(gè)過(guò)程由卡爾斯魯厄理工學(xué)院的KATRIN實(shí)驗(yàn)“衡量”。

“補(bǔ)充途徑是人造同位素鈥163的電子捕獲，”Schweiger繼續(xù)說(shuō)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(huì)釋放出中微子。海德堡科學(xué)家參與的國(guó)際ECHo合作項(xiàng)目試圖以極其精確的方式積極測(cè)量這一衰變過(guò)程。

根據(jù)愛因斯坦的E=mc2，質(zhì)量和能量是等價(jià)的，因此測(cè)量能量可以等同于稱量質(zhì)量。作為“熱量計(jì)”，ECHo極其精確地測(cè)量這次衰變中釋放的總能量：這對(duì)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?fù)饺虢鹪訉又小?/p>

“然而，這些金原子可能會(huì)對(duì)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(cè)量Q值，并將其與量熱測(cè)定值進(jìn)行比較，以檢測(cè)可能的系統(tǒng)誤差源。”

這就是海德堡五層陷阱實(shí)驗(yàn)和施威格的博士論文發(fā)揮作用的地方。Pentatrap由五個(gè)潘寧陷阱組成。在這些陷阱中，帶電原子可以在靜電和磁場(chǎng)的組合中被捕獲。

這些離子會(huì)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(duì)于最大負(fù)載的空中客車A-380，您可以利用這種靈敏度來(lái)確定是否有一滴水落在其上，”這位物理學(xué)家在說(shuō)明這種超大規(guī)模的功能時(shí)說(shuō)道。

原則上，潘寧陷阱的工作原理類似于秋千。如果將兩個(gè)體重不同的孩子并排放置在兩個(gè)相同類型的秋千上，并用同樣的力氣推動(dòng)他們，您將逐漸觀察到秋千頻率的變化。這可以用來(lái)計(jì)算兩個(gè)孩子之間的體重差異。

在五阱實(shí)驗(yàn)中，這是鈥163離子和鏑163離子之間的質(zhì)量差。此外，兩個(gè)孩子擺動(dòng)得越快，得到結(jié)果就越早，在相同的觀察時(shí)間下，結(jié)果也比慢速擺動(dòng)要準(zhǔn)確得多。

因此，研究小組在三個(gè)不同系列的測(cè)量中從“高電荷”離子中去除了38、39和40個(gè)電子，這使得它們的“圓圈舞”速度顯著加快。“如果一切順利，測(cè)量只需幾周時(shí)間，”施威格說(shuō)。

根據(jù)不同頻率測(cè)量產(chǎn)生的質(zhì)量差異，通過(guò)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(gè)理論小組的貢獻(xiàn)，包括研究所的克里斯托夫·凱特爾小組，與我們的測(cè)量一樣重要，”施威格強(qiáng)調(diào)說(shuō)。

除了兩個(gè)離子之間的頻率差之外，第二個(gè)變量對(duì)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(chǔ)的能量。由于如此大的離子是一個(gè)多粒子系統(tǒng)，計(jì)算也相應(yīng)復(fù)雜。

事實(shí)證明，在去除38、39和40個(gè)電子的情況下，計(jì)算得出的三個(gè)測(cè)量電荷態(tài)的Q值幾乎完全相同。施威格熱情地強(qiáng)調(diào)，這清楚地表明實(shí)驗(yàn)和理論中的系統(tǒng)不確定性可以被排除。這對(duì)中微子質(zhì)量意味著什么?

KATRIN通過(guò)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(dāng)于難以想象的0.0000000000000000000000000000000000014千克。

10-36這個(gè)數(shù)量級(jí)大約對(duì)應(yīng)于四顆葡萄干和太陽(yáng)之間的重量比。而這只是一個(gè)上限。對(duì)宇宙中估計(jì)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(shuō)。無(wú)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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