靜止中微子的質量是多少?這是物理學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領導的團隊現(xiàn)在在“稱量”中微子方面做出了重要貢獻。他們的研究結果發(fā)表在《自然物理學》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變?yōu)殓C163時的質量變化。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。這導致了“幽靈粒子”的假設，“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粒子相互作用，這也是原子核β衰變的基礎。
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化。然而，這些“中微子振蕩”對粒子物理學的世界觀產生了嚴重的影響。此前，人們認為中微子像光子一樣沒有靜止質量。
這將與粒子物理學的標準模型兼容，這是迄今為止對粒子世界的最佳描述。然而，振蕩迫使中微子產生靜止質量——這進一步表明新的物理學必須存在于標準模型之外。
因此，了解中微子的確切靜止質量將成為通向新物理學未知世界的大門。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上可實現(xiàn)的物理過程進行極其復雜的實驗。
“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子并發(fā)射電子和中微子，從而將原子轉變?yōu)檩^輕的氦。這個過程由卡爾斯魯厄理工學院的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，原子核從內部電子殼層捕獲電子，從而將質子轉化為中子，從而產生元素鏑-163。除其他外，這還會釋放出中微子。海德堡科學家參與的國際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。
根據愛因斯坦的E=mc2，質量和能量是等價的，因此測量能量可以等同于稱量質量。作為“熱量計”，ECHo極其精確地測量這次衰變中釋放的總能量：這對應于Q值的最大值減去所釋放的中微子的剩余質量。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。
這些離子會表演復雜的“圓圈舞”，從而可以極其精確地確定它們的質量。“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離子之間的質量差。此外，兩個孩子擺動得越快，得到結果就越早，在相同的觀察時間下，結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。
根據不同頻率測量產生的質量差異，通過E=mc2，海德堡科學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)，計算也相應復雜。
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，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量上限，這相當于難以想象的0.0000000000000000000000000000000000014千克。
10-36這個數量級大約對應于四顆葡萄干和太陽之間的重量比。而這只是一個上限。對宇宙中估計質量分布的分析甚至得出中微子質量的上限明顯較低，即每光速平方0.12電子伏特。
“然而，這種分析非常復雜，并且取決于所使用的宇宙學模型，”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上可能的極限挑戰(zhàn)。在此背景下，海德堡的結果是在解開中微子質量之謎的道路上向前邁出的步。
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