有史以來(lái)最精確的測(cè)量使我們更接近于了解“幽靈”粒子的真實(shí)質(zhì)量

幽靈的安息之團(tuán)中微子是粒子物理學(xué)中最受歡迎的量之一，科學(xué)家們離準(zhǔn)確確定又近了一步，這要?dú)w功于德國(guó)馬克斯普朗克核物理研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)。

如果知道中微子的質(zhì)量，它可能會(huì)打開(kāi)通往物理學(xué)領(lǐng)域的大門(mén)。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，它描述了宇宙中所有已知的力和基本粒子。

說(shuō)中微子很奇怪是輕描淡寫(xiě)的。曾經(jīng)有人認(rèn)為它根本沒(méi)有質(zhì)量，現(xiàn)在很明顯，這個(gè)幾乎不存在的粒子實(shí)際上是三種類(lèi)型合二為一的，當(dāng)它們?cè)谔罩写┧髸r(shí)，它們的身份會(huì)在奇怪的量子模糊中振蕩。這種閃爍的身份意味著質(zhì)量，這也以不同的形式出現(xiàn)，涂抹在中微子的變幻莫測(cè)的偽裝。

中微子是如此輕巧和奇怪，它可能不像其他粒子那樣遵循相同的規(guī)則。精確地將它令人難以置信的小質(zhì)量的涂抹相加，甚至可能有助于確認(rèn)和排除粒子物理學(xué)中的新模型。

然而，物理學(xué)家不能簡(jiǎn)單地稱(chēng)量一束靜止的中微子，就像坐在秤上的葡萄一樣。相反他們只能確認(rèn)存在通過(guò)觀察它們與其他粒子的相互作用，或通過(guò)測(cè)量他們的腐爛。一個(gè)粒子可能只有在最短暫的時(shí)刻出現(xiàn)但在那段時(shí)間里，它留下了它的痕跡或痕跡，物理學(xué)家可以從中推斷出質(zhì)量。

然而，由于沒(méi)有電荷，幾乎沒(méi)有引力，中微子只對(duì)其他粒子施加最微弱的力。事實(shí)上，數(shù)十億個(gè)中微子現(xiàn)在正在你的身體里飛馳，大多數(shù)是在從太陽(yáng)出發(fā)的途中，但是他們很少互動(dòng)和我們?cè)谝黄稹?/p>

然而，僅僅因?yàn)樗鼈儗?duì)其他亞原子粒子的影響如此之小，并不意味著中微子不是構(gòu)成物質(zhì)的基本組成部分。他們是最豐富的顆粒在宇宙中具有質(zhì)量，并且知道是什么賦予了這些中微子如此微小的、非零靜止質(zhì)量的變化，可以幫助物理學(xué)家解決或理解其中的一些矛盾。標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)中微子以它們振蕩的方式存在。

物理學(xué)家一直在穩(wěn)步前進(jìn)完善他們的最佳估計(jì)中微子個(gè)體和集體質(zhì)量的上限使用各種方法.這最精確的測(cè)量然而，中微子發(fā)現(xiàn)一種叫做電子的“味道”不能超過(guò)0.8電子伏特。將其轉(zhuǎn)換為相對(duì)于 1 公斤（或 2.2 磅）的質(zhì)量，與太陽(yáng)相比，這就像四個(gè)葡萄干的重量。

設(shè)定在2022年2月，最新的估計(jì)是由卡爾斯魯厄氚中微子實(shí)驗(yàn)（卡特琳）在德國(guó)，從作為超重形式的氫衰變釋放的電子和中微子的噴霧中推斷出來(lái)。

獲得中微子質(zhì)量的另一種方法，無(wú)論多么微小，都是研究當(dāng)人造同位素鈥-163的原子核從其最內(nèi)層的殼層吸收電子時(shí)會(huì)發(fā)生什么。結(jié)果，質(zhì)子轉(zhuǎn)化為中子，產(chǎn)生元素鏑-163，并釋放中微子。

然后，物理學(xué)家可以使用各種量熱儀測(cè)量這種衰變中釋放的總能量，并根據(jù)原子的總質(zhì)量和愛(ài)因斯坦著名的方程E = mc推斷飛入以太的“缺失”中微子的質(zhì)量²，其中質(zhì)量和能量相等。

這被計(jì)算為所謂的Q 值：能量的差異，可以轉(zhuǎn)化為衰變反應(yīng)后原子粒子總和中“缺失”的質(zhì)量。這種質(zhì)量差異被解釋為中微子。

然而，嵌入鈥-163的金原子可能會(huì)影響這種衰變反應(yīng)，解釋克里斯托夫·施威格（Christoph Schweiger）是馬克斯·普朗克核物理研究所的物理學(xué)家，也是這項(xiàng)新研究的主要作者。

“因此，使用替代方法盡可能精確地測(cè)量Q值并將其與量熱法測(cè)定的值進(jìn)行比較以檢測(cè)可能的系統(tǒng)誤差源非常重要，”他說(shuō)說(shuō).

為此，Schweiger及其同事建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，將五個(gè)所謂的圍欄陷阱，將一個(gè)堆疊在放置在真空中的超導(dǎo)磁體中，并浸入約4開(kāi)爾文（-269.1°C或-452.5°F）的液氦中。

所有這些努力都有助于屏蔽設(shè)備，使其足夠靈敏，可以捕獲潘寧陷阱中的粒子，并測(cè)量帶電鈥-163和鏑-163離子之間的細(xì)微能量差異。

“對(duì)于具有最大負(fù)載的空客A-380，你可以利用這種靈敏度來(lái)確定是否有一滴水落在它上面，”Schweiger說(shuō)說(shuō).

實(shí)際上，研究人員測(cè)量了入站的鈥-163離子和產(chǎn)生的鏑-163離子，得出了2,863.2±0.6 eV c的Q值^?2，這比之前的努力精確 50 倍，該努力得出的值為 2,833 ± 34 eV c^?2.

Schweiger及其同事將更精確和獨(dú)立測(cè)量的Q值與其他實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)合使用“對(duì)于評(píng)估中微子質(zhì)量測(cè)定中的系統(tǒng)不確定性至關(guān)重要”在他們發(fā)表的論文中寫(xiě).

雖然只是拼圖的一部分，但像 Q 這樣的測(cè)量的精度提高可以與各種方法相結(jié)合，以理解為什么粒子世界中奇怪的、閃閃發(fā)光的幽靈表現(xiàn)得像惡作劇者。

該研究已發(fā)表在自然物理.

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