雖然找到輕惰性中微子的近期前景已相當黯淡，但搜尋工作尚未結(jié)束。

卡爾斯魯厄氚中微子實驗為惰性中微子的研究帶來了新的見解。中微子非常奇特。盡管每秒有數(shù)十億個源自宇宙事件或核反應(yīng)的中微子穿過你的身體，但它們幾乎不留任何可觀測的痕跡。粒子物理學(xué)的標準模型識別出三種類型的中微子：電子中微子、繆中微子和陶中微子。觀測到這些粒子在傳播過程中可以"振蕩"或改變身份，證明了它們必須具有質(zhì)量——這一發(fā)現(xiàn)曾獲得了諾貝爾獎。

但一個長期存在的謎題一直困擾著科學(xué)家。來自核反應(yīng)堆和特定源的中微子測量數(shù)據(jù)中存在微小且無法解釋的不足，暗示著可能有更多發(fā)現(xiàn)。是否存在第四種"惰性中微子"，其相互作用甚至比它那些本已"害羞"的"表親"更少？這樣的發(fā)現(xiàn)將改寫物理學(xué)教科書，甚至可能解釋將星系束縛在一起的神秘暗物質(zhì)。

KATRIN實驗通過測量氚β衰變產(chǎn)生的電子的能譜，對惰性中微子進行了"最精確的直接搜尋"。如果存在惰性中微子，會在該能譜中產(chǎn)生一個明顯的"扭結(jié)"。

KATRIN最靈敏的數(shù)據(jù)

KATRIN實驗位于德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院，是一個長達70米、用于高精度粒子物理研究的大型設(shè)施。其運行原理是：使用高亮度氣態(tài)氚源通過β衰變產(chǎn)生電子，利用高分辨率光譜儀測量電子能量，并使用探測器進行計數(shù)。自2019年以來，KATRIN一直在測量氚β衰變能譜，專門尋找能表明存在第四種、更重的惰性中微子發(fā)射的特征性畸變或扭結(jié)。

馬克斯·普朗克核物理研究所的團隊在2019年至2021年的259天里，記錄了3600萬個電子。這項工作代表了迄今為止利用氚β衰變搜尋惰性中微子最靈敏的嘗試。其測量精度優(yōu)于百分之一，獲得了極為干凈的測量結(jié)果，基本消除了背景噪聲。然而，結(jié)果顯示沒有惰性中微子的蹤跡。

這一確鑿的"未發(fā)現(xiàn)"結(jié)果直接與此前的跡象相矛盾，并完全反駁了諸如Neutrino-4等實驗聲稱觀測到此類信號的結(jié)論。領(lǐng)導(dǎo)這項分析的海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的蒂埃里·拉塞爾表示："我們的新結(jié)果與STEREO等反應(yīng)堆實驗的結(jié)果完全互補。反應(yīng)堆實驗對幾eV2以下的惰性-活性中微子質(zhì)量平方差最敏感，而KATRIN探索的是從幾eV2到幾百eV2的范圍。這兩種方法現(xiàn)在一致排除了會與已知中微子類型發(fā)生顯著混合的輕惰性中微子。"

對這類神秘粒子的搜尋仍在繼續(xù)

雖然找到輕惰性中微子的近期前景已相當黯淡，但搜尋工作尚未結(jié)束。KATRIN聯(lián)合發(fā)言人卡瑟琳·瓦萊里烏斯表示："到2025年數(shù)據(jù)采集完成時，KATRIN將在相關(guān)能區(qū)記錄超過2.2億個電子，統(tǒng)計量將提高六倍以上。這將使我們能夠突破現(xiàn)有精度極限，探測低于當前限制的混合角。"

2026年，一項名為TRISTAN的重大升級將改造KATRIN。這臺下一代探測器將直接測量完整的氚β衰變能譜，為探測更高質(zhì)量范圍的惰性中微子（甚至可能是難以捉摸的千電子伏質(zhì)量范圍，這些粒子或許能解釋宇宙暗物質(zhì)）打開新的窗口。

因此，盡管目前的搜尋尚無結(jié)果，這些"幽靈粒子"的獵手們并未放棄，并已為下一步做好準備

這項研究于12月3日發(fā)表在《自然》雜志上。

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