美国project8项目正在接近难以捉摸的中微子

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

低温CRES电池的剖面图，其中电子在放射性衰变中产生并被磁捕获。单元波导的冷内径为10.03毫米，长度为132毫米（射频窗口之间的距离）。回旋加速器辐射沿波导（旋转视图左侧）轴向传播，朝向放大器和读出电子设备。资料来源：物理评论快报（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.131.102502

不起眼的中微子是一种难以捉摸的亚原子粒子，毫不费力地穿过正常物质，在构成我们宇宙的粒子中起着巨大的作用。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，像我们许多人一样，它避免了被称重。

现在，来自美国和德国的一个国际研究小组领导了一项名为Project 8的雄心勃勃的探索，他们报告说，他们独特的策略是第一个测量中微子质量的现实竞争者。一旦完全扩大，项目8可以帮助揭示中微子如何影响我们所知道的宇宙的早期演化。

2022年，KATRIN研究小组为中微子的重量设定了上限。这一里程碑是数十年来的巡回演出成就。但这些结果只是缩小了搜索窗口。卡特琳很快就会达到，甚至有一天甚至可能超过其目标探测极限，但羽量级的中微子可能更轻，这就引出了一个问题：“下一步是什么？

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一种称为β衰变的自然事件。当一种罕见的氢放射性变体（称为氚）衰变成三个亚原子粒子时，每个事件都会发出少量的能量：氦离子、电子和中微子。

Project 8的最终成功取决于一个雄心勃勃的计划。研究小组没有试图检测中微子 - 它毫不费力地通过大多数探测器技术 - 而是遵循一个简单的测量策略，可以总结如下：

我们知道氚原子的总质量等于其各部分的能量，这要归功于爱因斯坦。当我们测量β衰变产生的自由电子时，我们知道总质量，“缺失”的能量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，我们有一个现实的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项目8的主要研究员之一Brent VanDevender说。

为什么选择项目 8？

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，并得出结论认为它可以奏效。

Talia Weiss是耶鲁大学的核物理研究生。她和她的Project 8同事花了数年时间研究如何准确地从电子背景噪声中梳理出电子信号。Christine Claessens是华盛顿大学的博士后助理，在德国美因茨大学获得了Project 8的博士学位。Weiss和Claessens进行了两次最终分析，首次对新技术得出的中微子质量进行了限制。 学分：太平洋西北国家实验室

“中微子非常轻，”Weiss说。“它比电子轻50多万倍。因此，当中微子和电子同时产生时，中微子质量对电子的运动只有很小的影响。我们希望看到这种小影响。因此，我们需要一种超精确的方法来测量电子的移动速度。

Project 8依赖于这种技术，十多年前由物理学家Joe Formaggio和Ben Monreal构思，当时在麻省理工学院工作。一个国际团队围绕这个想法团结起来，成立了Project 8，将愿景转化为实用工具。由此产生的方法称为回旋加速器辐射发射光谱（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衰变事件中释放的大部分（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。这是第一次用CRES技术测量氚β衰变，并对中微子质量设定了上限。 科学家如何称量中微子？学分：萨拉·莱文/太平洋西北国家实验室

该团队只对跟踪这些电子感兴趣，因为它们的能量是揭示中微子质量的关键。虽然以前已经使用过这种策略，但CRES检测器测量关键的电子能量，有可能超越任何现有技术。这种可扩展性使Project 8与众不同。Elise Novitski是华盛顿大学的助理教授，领导了新出版的工作的许多方面。

“没有其他人在这样做，”诺维茨基说。“我们没有采用现有的技术并试图对其进行一些调整。我们有点像在狂野的西部。

在他们最近在西雅图华盛顿大学建立的实验中，该团队在82天的试验窗口中跟踪了3，770个氚β衰变事件，该事件在单个豌豆大小的样品单元中。样品池经过低温冷却并放置在磁场中，该磁场捕获新兴电子的时间足以使系统的记录天线记录微波信号。

至关重要的是，该团队记录了零可能与真实事物混淆的错误信号或背景事件。这很重要，因为即使是非常小的背景也会掩盖中微子质量的信号，使得解释有用信号变得更加困难。

从啁啾到信号

由PNNL实验物理学家Noah Oblath领导的Project 8研究人员的一部分，但涉及多个机构的十几个人，还开发了一套专门的软件 - 每个都以各种昆虫的名字命名 - 以获取原始数据并将其转换为可以分析的信号。项目工程师们戴上了修补的帽子，发明了使Project 8组合在一起的各个部分。 学分：太平洋西北国家实验室

“我们确实有对这项工作至关重要的工程师，”诺维茨基说。“从工程师的角度来看，这有点像。实验物理学处于物理学和工程学的边界。你必须让特别有冒险精神的工程师和务实的物理学家合作，让这些东西成为现实，因为这些东西不在教科书中。

到达终点线

现在，该团队已经展示了他们使用氚分子的设计和实验系统工作，他们还有另一项紧迫的任务。整个团队的一部分现在正在研究下一步：一个将产生，冷却和捕获单个氚原子的系统。这一步很棘手，因为氚与其更丰富的表亲氢一样，更喜欢形成分子。这些分子将使Project 8团队的最终目标无法实现。由美因茨大学的物理学家领导的研究人员正在开发一个测试平台，用复杂的磁铁阵列来制造和捕获原子氚，使其甚至无法接触样品细胞的壁 - 在那里它几乎肯定会恢复到分子形式。

这项技术的进步，以及整个设备的扩展，将是达到并最终超过KATRIN团队实现的灵敏度的关键步骤。

目前，由来自十个研究机构的成员组成的研究小组正在研究将实验从豌豆大小的样品室扩大到一千倍大的研究设计。我们的想法是使用更大的监听设备捕获更多的β衰变事件 - 从豌豆大小到沙滩球。 学分：太平洋西北国家实验室

“Project 8不仅是一个更大更好的CRES实验，它是第一个CRES实验，也是第一个使用这种检测技术的实验，”Oblath说。“这是以前从未做过的。大多数实验都有50年或100年的历史，至少他们正在使用的检测技术，而这确实是全新的。

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原标题：《美国project8项目正在接近难以捉摸的中微子》

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