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《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究团队实现电子中微子质量精确测量》

  • 来源专题：计量基标准与精密测量
  • 编译者： 李晓萌
  • 发布时间：2025-10-13

  • 中微子是宇宙中最轻的基本粒子，但它们的确切质量仍是未解之谜。三十年来，物理学家持续探索这一问题，因为电子中微子、陶中微子与缈子中微子这三类已知中微子的质量，不仅深刻影响了宇宙的诞生与结构演化，更可能为揭示基本粒子质量起源机制提供关键线索。

    然而研究中微子绝非易事。这种粒子与周围环境的相互作用极其微弱，探测仪器极难捕获其直接踪迹。正因如此，美国国家标准与技术研究院（NIST）研究团队研制的高灵敏度探测器，在近期一项针对电子中微子质量的实验中发挥了至关重要的作用。

    本实验采用了由NIST研制的微型传感器阵列——过渡边缘传感器（TES）。这些作为高灵敏度温度计的设备由超导薄膜构成，始终被维持在超导态（零电阻导通）与常态电阻之间的临界温度点。在此狭窄温区内，每个TES能探测到低至百万分之一开尔文的微小温升。

    在位于意大利的HOLMES实验中，研究人员将微量放射性同位素钬-163嵌入与各TES热耦合的金膜中。金膜中的钬核每秒约有一次会捕获其轨道电子，该捕获过程是放射性衰变的关键环节——钬-163在此过程中逐步转变为镝-163并释放电子中微子。

    虽然每个电子中微子都携带能量逸离金膜，但新生成的镝原子所释放的全部能量（表现为微小温升）仍留存于金膜内，最终被TES传感器阵列精准捕获。

    根据爱因斯坦著名的质能方程，电子中微子能够带走的最小能量恰好等于其自身质量。实验中，电子中微子带走的能量越少，镝原子获得的升温能量就越多。

    在为期两个月的观测中，研究人员通过TES阵列测量了数百万次放射性衰变过程中镝原子获得的热能。数据分析表明，电子中微子的最大可能质量不超过27电子伏特（eV）。作为参照，电子的质量为511,000 eV。

    位于德国卡尔斯鲁厄的KATRIN中微子实验设定了更严格的质量上限。但HOLMES作为探路者实验，其升级版本通过延长观测时间，将有望突破KATRIN目前的测量精度极限。

    这项由多国机构合作完成的研究（参与单位包括瑞士、法国、意大利的米兰国家物理研究所、米兰-比可卡大学、阿塞吉格兰萨索国家实验室、热那亚大学以及美国科罗拉多大学博尔德分校）已发表于《Physical Review Letters》期刊（Most stringent bound on electron neutrino mass obtained with a scalable low temperature microcalorimeter array. DOI：10.1103/s9vl-7n24）。

  • 原文来源：https://www.nist.gov/news-events/news/2025/09/nist-researchers-probe-mass-electron-neutrino
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）采用新方法精确测量微量样本的放射性》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：张宇
    • 发布时间：2025-07-10
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）研发的一种新技术能够实现在识别发生衰变的原子类型的同时检测单个原子的放射性衰变事件。这一技术进步将有助于改善癌症的治疗方案，用于先进反应堆的核燃料再处理以及其他领域。一旦全面投入使用，该技术有望在短短几天内完成传统上需要数月才能完成的任务。 NIST的研究人员展示了一种新的、更快的方法来检测和测量微量放射性物质的辐射值。这项被称为低温衰变能谱法（DES）的创新技术可能会产生深远的影响，其影响范围可能涉及从改善癌症治疗到确保核废料的安全清理以及其他多个领域。 这项新技术的关键是过渡边缘传感器（TES），这是一种被广泛应用于辐射特征测量的专用设备。TES提供了一种革命性的功能来记录单个放射性衰变事件，同时监测其中不稳定的原子释放一个或多个粒子的过程。通过从许多次单独衰变事件中积累的数据，研究人员可以识别出哪些不稳定的原子（即放射性核素）会产生这些事件。 “TES比熟悉的盖革计数器或其他当今使用的探测器要先进得多，”NIST物理学家Ryan Fitzgerald说。“它不是简单地发出咔嗒声来表示有辐射，也不是模糊地指示衰变能量的高低，而是为我们提供了放射性物质存在的详细指纹信息。” TES设备在接近绝对零度的极低温度下运行。当样品中的物质发生放射性衰变时，释放的能量被TES吸收。这种吸收的能量会导致TES的电阻发生微小的变化。研究人员精确测量了电阻的这种变化，从而获得了整个衰减过程的高分辨率“能量特征”。通过分析来自多个衰变事件能谱变化的详细数据，研究人员便可以识别出正在衰变的特定放射性原子。这是完全可能的，因为不同的放射性原子在衰变时会释放出独特的能量特征。 采用早期的方法，在同一时间，只能进行放射性剂量的测量或者识别出具体存在哪些放射性原子——而不是同时完成这两项工作。全面表征一个样品曾经需要使用多种技术。相比之下，DES法在识别放射性元素的类型的同时，又能完成量化其放射性水平的工作。 当研究人员接收到装满放射性液体的桶时，他们需要识别这种神秘物质的类型并测量其放射性核素的含量，以便安全地处理它们。通常，这个过程可能需要几个月的时间，但过渡边缘传感器（TES）可以显著缩短这一过程所需的时间。 “我们现在可以在短短几天内就从一个微量的样本中获得完整的放射性特征数据，而不再需要等待数月才能获得结果，”Fitzgerald说。 传统上，测量放射性需要多种方法和复杂的程序，使用称为示踪剂或校准剂的附加材料。然而，新方法提供了一种简化的途径，即使在没有这些附加材料的情况下，也能准确测量出微量样本的放射性。这使科学家们能够更好地监测、使用和保护影响公众健康和安全的放射性物质。 在他们的方法中，研究人员使用一种特殊的喷墨装置小心地将微量（不到一克的百万分之一）放射性溶液均匀的分布到薄金箔上。这些金箔的表面布满了大小仅为十亿分之一米的微小孔洞。这些纳米孔有助于吸收放射性溶液的微小液滴。 通过精确测量使用喷墨装置分配的溶液的质量，然后测量金箔上干燥后的样品的放射性，研究人员就可以计算出样品每单位质量的放射性，即“比活度”。 这种喷墨方法使他们能够在处理极少量放射性物质的同时，仍能准确测量其放射性。 这种技术的潜在应用场景非常广泛。在医学领域，这项技术可有确保用于癌症治疗的放射性药物的纯度和效力的准确性。在核能领域，它可以快速的识别乏燃料后处理过程中的放射性成分，从而加速新型先进反应堆的开发。 新报告的研究是更大规模努力的第一步，这一努力被称为True Becquerel（TrueBq）项目，旨在改变我们监测和表征放射性的方式。用于计量物质放射性衰变的单位是该项目名称的由来，以纪念发现放射性现象的法国物理学家亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）。 更广泛的TrueBq项目旨在开发一种更全面的测量系统，凭借这种全新的系统将可以处理包括复杂的混合物在内的各种放射性物质。它将把高精度天平系统与TES设备结合起来，以前所未有的精度测量放射性物质的比活度。 这种新方法对传统工作流程进行了重大改进，传统工作流程通常涉及多种方法、化学处理以及化学示踪剂和标准品的使用。通过简化测量过程，TrueBq项目有望在减少分析所需时间的同时提高测量的准确性。 通过TrueBq项目所开发的创新型技术可以有效提高NIST服务各领域客户的能力。NIST目前提供多种以客户为中心的测量服务，包括校准、标准参考物质（SRMs）和能力验证。所有这些服务未来都将受益于TrueBq项目所开发的新技术，服务的流程将会更加简化、服务内容将会更加多样化、同时服务质量的不确定性也会进一步减少。 虽然TrueBq项目目前的重点是改进NIST内部的测量工作，但研究人员对这项技术有着长远的计划。未来，他们希望开发出更便携、更人性化的系统版本，这些版本可以部署在NIST之外的实际应用场景中，以便在医学、环境治理和核废料管理等领域中发挥关键作用。 NIST的研究团队已于2025年7月8日在《Metrologia》期刊上发表了其研究成果。（DOI：10.1088/1681-7575/adecaa）
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  • 《美国国家标准与技术研究院（NIST）研究团队推出更高精度粒子浓度测量公式》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2025-08-26
    • 近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种新的数学公式，可更准确地计算溶液中悬浮粒子的浓度。该方法比现有技术精度更高，可用于为患者精准给药、测定海水中纳米塑料的含量、确保食品添加剂用量准确等多种场景。 相关成果发表于《Analytical Chemistry》期刊（10.1021/acs.analchem.4c05990）。 “这一新公式有望推动纳米技术在食品包装保鲜、微芯片及电子器件制造等领域的应用，”参与测试的NIST工程师Elijah Petersen表示，“它通过修正‘粒子尺寸均一’这一常见假设带来的偏差，显著提高了现有方法的准确性。” 粒子数浓度（particle number concentration）指单位体积气体或液体中所含粒子的数量，通常以“每立方厘米的粒子数”表示。 测定溶液中悬浮粒子浓度的一种常用方法是利用两个变量：溶液中粒子的总质量和粒子尺寸。然而，实际粒子的尺寸并不完全一致，这种差异称为粒径分布（size distribution）。 现有数学方法仅在粒子尺寸几乎均一时才表现良好；当粒子尺寸差异显著时，结果往往失真。 为说明粒径分布的重要性，可以想象一个猜糖果数量的游戏：如果罐子里全是大小一致的M&M’s 巧克力，你可以用简单公式快速估算总数；但若混入了大块的Kit Kat和Reese’s花生酱杯，就必须换一种方法来避免严重偏差。 由前NIST研究员Natalia Farkas推导的新公式，正是将粒径分布这一变量纳入计算，从而获得更准确的浓度结果。 为验证新公式，研究人员将其应用于水中金纳米颗粒样品。NIST科学家此前已用多种实验手段对这些样品进行了充分表征，获得了高度准确的粒子数浓度基准值。结果显示，旧公式将浓度高估约6%，而新公式的误差控制在1%以内。 随后，团队把新公式用于更具实用价值的场景——食品抗结剂。与粒径分布较窄的金纳米颗粒不同，该抗结剂中的颗粒尺寸差异巨大。在此例中，新旧公式给出的估算值最大可相差 36%。 “计算粒子数浓度的方法不止一种，”Petersen表示，“选对公式至关重要。”
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