Project 8标志着其测量中微子质量的一个重要里程碑

不起眼的中微子是一种难以捉摸的亚原子粒子，可以毫不费力地穿过正常物质，在构成我们宇宙的粒子中发挥着巨大的作用。为了充分解释我们的宇宙是如何形成的，我们需要知道它的质量。但是，就像我们许多人一样，它避免被称重。

现在，一个由来自美国和德国的研究人员组成的国际团队正在领导一项名为“Project 8”的雄心勃勃的探索，他们 报告称，他们独特的策略是成为第一个测量中微子质量的现实竞争者。一旦完全扩大规模，Project 8 可以帮助揭示中微子如何影响我们所知的宇宙的早期演化。

2022 年，KATRIN 研究小组为中微子的重量设定了上限。这一里程碑式的成就是数十年来的杰作。但这些结果只是缩小了搜索窗口。KATRIN 很快就会达到甚至可能有一天会超过其目标探测极限，但羽量级中微子可能会更轻，这就引出了一个问题：“接下来会发生什么?”

追踪鬼魂

在他们最近的研究中，Project 8 团队在《物理评论快报》中报告说，他们可以使用一种全新的技术来可靠地跟踪和记录称为 β 衰变的自然现象。 当氢的一种罕见的放射性变体(称为氚)衰变为三种亚原子粒子：氦离子、电子和中微子时，每个事件都会释放出微量的能量。

Project 8 的最终成功取决于雄心勃勃的计划。研究团队并没有尝试探测中微子(中微子可以轻松地通过大多数探测器技术)，而是采用了一种简单的测量策略，可以总结如下：

感谢爱因斯坦，我们知道氚原子的总质量等于其各部分的能量。当我们测量β衰变产生的自由电子并且知道总质量时，“丢失”的能量就是中微子的质量和运动。

“原则上，随着技术的发展和规模的扩大，我们有机会进入确定中微子质量所需的范围，”能源部太平洋西北国家实验室 8 号项目的主要研究员之一布伦特·范德文德 (Brent VanDevender)说实验室。

为什么选择8号项目?

这些研究人员选择采取雄心勃勃的策略，因为他们已经研究了利弊，并得出结论认为该策略可行。

塔利亚·韦斯是耶鲁大学核物理研究生。她和 Project 8 的同事花了数年时间研究如何从电子背景噪声中准确地分辨出电子信号。Christine Claessens 是华盛顿大学的博士后助理，并获得了博士学位。德国美因茨大学的项目 8。韦斯和克拉森斯进行了两项最终分析，首次对新技术得出的中微子质量进行了限制。

“中微子非常轻，”韦斯说，“它比电子轻 500,000 倍以上。因此，当中微子和电子同时产生时，中微子质量对电子运动只有很小的影响。我们希望“为了看到这个微小的影响。所以，我们需要一种超精确的方法来测量电子移动的速度。”

Project 8 正是依靠这样一种技术，该技术是由当时在麻省理工学院工作的物理学家 Joe Formaggio 和 Ben Monreal 在十多年前提出的。一个国际团队围绕这个想法组建了 Project 8，将愿景转化为实用工具。由此产生的方法称为回旋辐射发射光谱 (CRES)。它捕获新生电子在磁场中旋转时发出的微波辐射。这些电子带走了β衰变事件期间释放的大部分(但不是全部)能量。正是这种缺失的能量可以揭示中微子的质量。这是首次利用 CRES 技术测量氚 β 衰变，并对中微子质量设定上限。

该团队只对追踪这些电子感兴趣，因为它们的能量是揭示中微子质量的关键。虽然这种策略之前已被使用过，但 CRES 探测器可以测量关键的电子能量，并有可能超越任何现有技术。这种可扩展性正是 Project 8 的与众不同之处。埃莉斯·诺维茨基 (Elise Novitski) 是华盛顿大学的助理教授，领导了新发表的工作的许多方面。

“没有其他人这样做，”诺维茨基说。“我们不会采用现有技术并尝试对其进行一些调整。我们有点像在狂野的西部。”

在西雅图华盛顿大学进行的最新实验中，该团队在 82 天的试验窗口内，在一个豌豆大小的样品池中追踪了 3,770 个氚 β 衰变事件。样品池经过低温冷却并放置在磁场中，该磁场可以捕获新出现的电子足够长的时间，以便系统的记录天线记录微波信号。

至关重要的是，该团队记录了零错误信号或可能与真实事件混淆的背景事件。这很重要，因为即使非常小的背景也会掩盖中微子质量的信号，从而使有用信号的解释变得更加困难。