天平上的幽灵粒子研究提供了更精确的中微子质量测定

静止中微子的质量是多少?这是物理学中尚未解答的重大问题之一。中微子在自然界中发挥着核心作用。作为国际ECHo合作的一部分，由海德堡马克斯·普朗克核物理研究所所长KlausBlaum领导的团队现在在“称量”中微子方面做出了重要贡献。他们的研究结果发表在《自然物理学》上。

使用潘宁陷阱，它极其精确地测量了钬163同位素在其原子核捕获电子并转变为镝163时的质量变化。由此，确定Q值的精度比以前提高了50倍。使用更精确的Q值，可以揭示中微子质量测定中可能存在的系统误差。

20世纪30年代，人们发现原子核的放射性β衰变中的能量平衡和动量平衡都不正确。这导致了“幽灵粒子”的假设，“秘密”带走能量和动量。1956年，这种中微子终于得到了实验证明。挑战：中微子仅通过弱相互作用与其他物质粒子相互作用，这也是原子核β衰变的基础。

因此，来自宇宙，特别是太阳的中微子每秒都可以穿过我们的身体，而不会造成任何损害。极其罕见的中微子与其他物质粒子的碰撞只能用巨大的探测器来探测。

太阳中微子带来了另一个突破性的启示：迄今为止已知的三种中微子可以相互转化。然而，这些“中微子振荡”对粒子物理学的世界观产生了严重的影响。此前，人们认为中微子像光子一样没有静止质量。

这将与粒子物理学的标准模型兼容，这是迄今为止对粒子世界的最佳描述。然而，振荡迫使中微子产生静止质量——这进一步表明新的物理学必须存在于标准模型之外。

因此，了解中微子的确切静止质量将成为通向新物理学未知世界的大门。不幸的是，你不能简单地将中微子放在天平上。这需要对涉及中微子的技术上可实现的物理过程进行极其复杂的实验。

“一种方法是氚的β衰变，”马克斯·普朗克核物理研究所克劳斯·布劳姆系的博士生克里斯托夫·施威格解释道。在这里，超重氢中的两个中子之一衰变成质子并发射电子和中微子，从而将原子转变为较轻的氦。这个过程由卡尔斯鲁厄理工学院的KATRIN实验“衡量”。

“补充途径是人造同位素钬163的电子捕获，”Schweiger继续说道。在这里，原子核从内部电子壳层捕获电子，从而将质子转化为中子，从而产生元素镝-163。除其他外，这还会释放出中微子。海德堡科学家参与的国际ECHo合作项目试图以极其精确的方式积极测量这一衰变过程。

根据爱因斯坦的E=mc2，质量和能量是等价的，因此测量能量可以等同于称量质量。作为“热量计”，ECHo极其精确地测量这次衰变中释放的总能量：这对应于Q值的最大值减去所释放的中微子的剩余质量。为此，将钬163同位素掺入金原子层中。

“然而，这些金原子可能会对钬163产生影响，”Schweiger解释道。“因此，重要的是使用替代方法尽可能精确地测量Q值，并将其与量热测定值进行比较，以检测可能的系统误差源。”

这就是海德堡五层陷阱实验和施威格的博士论文发挥作用的地方。Pentatrap由五个潘宁陷阱组成。在这些陷阱中，带电原子可以在静电和磁场的组合中被捕获。

这些离子会表演复杂的“圆圈舞”，从而可以极其精确地确定它们的质量。“对于最大负载的空中客车A-380，您可以利用这种灵敏度来确定是否有一滴水落在其上，”这位物理学家在说明这种超大规模的功能时说道。

原则上，潘宁陷阱的工作原理类似于秋千。如果将两个体重不同的孩子并排放置在两个相同类型的秋千上，并用同样的力气推动他们，您将逐渐观察到秋千频率的变化。这可以用来计算两个孩子之间的体重差异。

在五阱实验中，这是钬163离子和镝163离子之间的质量差。此外，两个孩子摆动得越快，得到结果就越早，在相同的观察时间下，结果也比慢速摆动要准确得多。

因此，研究小组在三个不同系列的测量中从“高电荷”离子中去除了38、39和40个电子，这使得它们的“圆圈舞”速度显着加快。“如果一切顺利，测量只需几周时间，”施威格说。

根据不同频率测量产生的质量差异，通过E=mc2，海德堡科学家最终能够确定电子捕获的Q值，该值比以前精确50倍。“三个理论小组的贡献，包括研究所的克里斯托夫·凯特尔小组，与我们的测量一样重要，”施威格强调说。

除了两个离子之间的频率差之外，第二个变量对确定的Q值也有显着影响：高电荷离子的剩余电子系统中存储的能量。由于如此大的离子是一个多粒子系统，计算也相应复杂。

事实证明，在去除38、39和40个电子的情况下，计算得出的三个测量电荷态的Q值几乎完全相同。施威格热情地强调，这清楚地表明实验和理论中的系统不确定性可以被排除。这对中微子质量意味着什么?

KATRIN通过每光速平方0.8电子伏的“称重”确定了迄今为止最精确的中微子质量上限，这相当于难以想象的0.0000000000000000000000000000000000014千克。

10-36这个数量级大约对应于四颗葡萄干和太阳之间的重量比。而这只是一个上限。对宇宙中估计质量分布的分析甚至得出中微子质量的上限明显较低，即每光速平方0.12电子伏特。

“然而，这种分析非常复杂，并且取决于所使用的宇宙学模型，”施威格说。无论如何，很明显，任何想要称量中微子的人都面临着技术上可能的极限挑战。在此背景下，海德堡的结果是在解开中微子质量之谜的道路上向前迈出的步。

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