70米长的KATRIN实验装置及其主要组件氚源、主光谱仪和探测器。图片来源：Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration
德国卡尔斯鲁厄理工学院的国际氚中微子实验（KATRIN）打破了中微子物理学中与粒子物理学和宇宙学相关的一个重要“界限”——1电子伏特（eV）。德国马克斯普朗克物理研究所当地时间14日消息，据发表在著名期刊《自然·物理学》上的数据，科学家已获得了中微子质量新上限：0.8 eV，首次将中微子的质量推向sub-eV级，这使得KATRIN能以前所未有的精度限定了这一“宇宙轻量级”的质量。
可以说，中微子是宇宙中最神秘的基本粒子。在宇宙学中，它们在大尺度结构的形成中扮演着重要角色；而在粒子物理学中，它们微小但非零的静止质量令它们与众不同，表现出了超出我们当前理论的新的物理现象。如果没有中微子质量尺度的测量，我们对宇宙的理解将会变得不完整。
这就是KATRIN实验所面临的挑战。该实验已成为世界上对中微子最灵敏的测量“天平”。它利用氚（一种不稳定的氢同位素）的β衰变，通过衰变过程中释放的电子的能量分布来确定中微子的质量。这需要一项重大的技术努力：这个70米长的实验装置容纳了世界上最强的氚源，以及一台巨型光谱仪，用于以前所未有的精度测量中微子的质量。
2019年开始科学测量后，数据的精度在过去两年里不断提高。该实验的共同发言人表示，KATRIN是一项技术要求最高的实验，现在运行得非常完美。信号速率的提高和背景速率的降低是新结果的决定性因素。
第一年的测量数据和基于一个极小的中微子质量模型的实验数据完全匹配：由此可以确定0.8 eV的中微子质量的新上限。这是直接中微子质量实验首次进入宇宙学和粒子物理上重要的sub-eV质量范围，科学家假设中微子的基本质量标度在这个范围内。美国北卡罗来纳大学中微子专家约翰·威尔克森评论说：“粒子物理界为KATRIN实验打破了1电子伏特的界限而感到兴奋。”
KATRIN实验的共同发言人和分析协调员对未来非常乐观：“对中微子质量的进一步测量将持续到2024年底。为了实现这一独特实验的全部潜力，我们不仅将稳步增加信号事件的统计数据，还将不断开发和安装改进措施。”
一种新探测器系统（TRISTAN）的开发在这方面发挥了特殊的作用，它将允许KATRIN实验从2025年开始着手寻找质量在千电子伏特范围内的“无菌”中微子——这也是宇宙中神秘暗物质的候选者，已经在许多天体物理和宇宙学观测中被发现，但其粒子物理性质仍是个谜。
