卡爾斯魯厄氚中微子（Katrin）探測器利用氚的放射性衰變來測量中微子的質量。 **Kit Katrin 合作。
物理學家希望增加中微子的重量，中微子可能是所有基本粒子中最神秘的。
目前，世界上只有乙個實驗有機會進行這樣的測量 - 卡爾斯魯厄氚中微子（Katrin）探測器，形狀為巨大的德國齊柏林飛艇。 但其他一些實驗室的研究人員一直在開發替代方法，本週他們聚集在義大利熱那亞，在乙個名為Numass 2024的研討會上比較筆記。
三個團隊表示，他們已經進行了小規模的實驗，以證明他們的技術可以工作。 另乙個小組正在研究一種可能更強大的方法。 研究人員希望構建這些裝置的放大版本，最終可以與Katrin競爭，甚至改進它。
對宇宙結構的最大尺度的觀測表明，中微子非常輕，質量可達012 電子伏特，比電子質量小 400 萬倍。 如果正確的話，這樣的估計將使中微子的真實質量超出卡特林的範圍。 “我們擔心卡特林，即使這是乙個偉大的實驗，也可能無法確定質量，”義大利公尺蘭比可卡大學的物理學家Matteo Borghesi說，他在研討會上介紹了他的團隊在替代實驗技術方面的進展。 “我們必須做好準備。 ”
為了稱量中微子，物理學家使用放射性同位素的衰變。 在這種衰變中產生的中微子在未被發現的情況下逃逸，但它們的質量可以通過測量剩餘粒子的能量來計算。
卡特琳使用氚的“衰變”，氚是一種重放射性氫同位素。 當氚衰變時，其原子核中的三個中子之一被轉化為質子，噴射出乙個電子（也稱為粒子）和乙個中微子（或者，準確地說，是相同質量的粒子，稱為反中微子）。 衰變釋放出眾所周知的總能量，其中大部分被電子和中微子以動能的形式帶走，以及被困在兩個粒子質量中的能量。 中微子可以產生一系列可能的能量，但至少它必須攜帶其質量中包含的能量。 Katrin旨在通過測量相應電子的全能量範圍來估計這個最小值，這可以根據電子在齊柏林飛艇形結構中的位置來確定。
到目前為止，卡特林的最佳結果是將中微子質量的上限設定為08 EV，最佳靈敏度為 02 ev。因此，當 Katrin 合作在今年晚些時候發布其最終結果時，只有當質量為 0 時才有可能2 比 08 EV 之前才能做出清晰的測量。 這樣的結果將與宇宙學估計大不相同，西班牙瓦倫西亞粒子物理研究所的理論粒子物理學家奧爾加·梅納（Olga Mena）說。 梅納說，在卡特林可以測量的範圍內獲得中微子的質量將需要“奇怪的，非平凡的物理學”，例如以前未知的基本力影響中微子，或者愛因斯坦引力理論的變化。
物理學家希望開發一種技術，最終提高對較輕質量的靈敏度，並在實驗之間提供交叉檢查。 德國海德堡大學（University of Heidelberg）的物理學家洛雷達娜·加斯塔爾多（Loredana Gastaldo）表示，努馬斯研討會的舉辦正值該領域乙個有趣的時刻，因為其中一些替代方案現在已經成熟到可以轉化為全面實驗的地步。 一種選擇利用鈥-163的衰變，鈥-163是稀土元素鈥的放射性同位素。
與氚不同，鈥 163 不會發生衰變。 相反，原子中的乙個電子被其原子核中的質子“捕獲”。 這將質子轉化為中子，釋放出中微子和光子。 被捕獲的電子在原子電子的構型中留下乙個間隙，其他電子迅速重新排列以釋放能量。 如果原始的鈥原子嵌入材料中，則會獲得所有這些能量，從而產生少量熱量，可以用足夠靈敏的探測器進行測量。
1981年，在巴西里約熱內盧逗留期間，歐洲核子研究中心的理論物理學家阿爾瓦羅·德·魯茹拉（Álvaro de Rújula）首次提出了使用這種方法的想法，稱為電子捕獲。 他說，當時他在科帕卡巴納附近的海灘上，突然從觀察附近舒格洛夫山的形狀中獲得靈感，該山具有“電子捕獲光譜的形狀”（該圖顯示了可以測量為衰減殘熱的能量範圍）。
物理學家在經過一些初步嘗試後放棄了這個想法，但在 1990 年代後期，Gastaldo 和另一位物理學家 Angelo Nucciotti 在公尺蘭-比可卡再次提出了這個想法。 德魯朱拉說，儘管這兩個團隊的資金和人手都相當不足，但他們“英勇地”工作，多年來幾乎沒有得到認可。
兩組中的每乙個都採用了不同的方法將鈥-163注入嵌入敏感熱探測器中的一塊金屬中，該探測器保持在接近絕對零度的溫度下。 兩個團隊都表明他們可以高精度地測量能量。 2019 年，Gastaldo 和她的合作者將中微子質量的上限設定為 150 EV，他們目前正在努力將其增加 10 倍。 “我們現在可以證明鈥也在遊戲中，”加斯塔多說。
劍橋麻省理工學院（MIT）的物理學家朱莉安娜·斯塔丘斯卡（Juliana Stachurska）在研討會上描述了另一種方法。 在一項名為Project 8的實驗中，她和她的合作者將低密度氚氣體放入乙個磁瓶中，該磁瓶利用磁場捕獲衰變中的電子。 在去年發表的研究1中，研究人員表明，他們可以通過分析無線電波來高精度地測量電子的能量。 該團隊計畫改用原子氚，這更難處理，但將消除一些限制先前實驗精度的實驗不確定性，包括卡特林。 “以前沒有人做過原子氚，”Stachurska說。
Project 8實驗正在測試一種測量中微子質量的新技術。 亞歷克·林德曼。
麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）的物理學家、Project 8的發言人約瑟夫·福爾馬吉奧（Joseph Formaggio）表示，他希望有朝一日能建立乙個大規模的實驗版本，將靈敏度降低到004 EV，小到足以打破宇宙學實驗的嚴格限制。
更進一步，一項名為托勒密的擬議實驗使用固體而不是氣態氚，附著在稱為石墨烯的原子薄碳材料薄膜上。 這將使研究人員能夠吸收更多的氚並獲得更多的放射性排放。
博爾格西說，目前，社群正在熱切等待卡特林的最終結果。 即使在實驗達到其設計靈敏度的極限之後，參與的研究人員仍計畫繼續進行公升級。 卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）的物理學家馬格努斯·施爾·塞爾（Magnus Schl Sser）表示，他在研討會上的主要資訊是，“卡特林不會在當前的競選活動後關門大吉。 **10,000粉絲獎勵計畫