用於基本粒子研究的粒子加速器設施的內部結構。(Dean Mouhtaropoulos/Getty Images)
用於基本粒子研究的粒子加速器設施的內部結構。(Dean Mouhtaropoulos/Getty Images)

中微子是目前科學家所知的最小粒子,質量小到微乎其微。最近一份研究確定了中微子的質量上限,達到了迄今為止所能達到的最高精確度。

中微子是一種不帶電荷的粒子,以弱作用力與其它物質發生互動,並分為電子、渺子(muon)和陶子(tau)三種味態,即電子中微子、渺子中微子和陶子中微子。與其它基礎粒子相比,中微子的質量小到難以捉摸。但是從它們振蕩的特性來看,它們仍然具有一定的質量,只是現在的技術要測量它們的質量難度很大。

德國卡爾斯魯厄理工學院的國際氚中微子實驗(KATRIN)刷新了測量紀錄,達到了前所未有的精確度:中微子的質量不會超過0.8電子伏特(eV)。在粒子物理學上,能量是可以和質量互換的單位。如果這比較抽像,那麼,這個質量相當於1.6X10⁻3⁶千克。

這項實驗聯合了來自六個國家研究機構,包括德國卡爾斯魯厄理工學院(KIT)和美國麻省理工學院(MIT)等知名研究機構。研究結果於2月14日發表在《自然·物理學》(Nature Physics)期刊。

這項研究使用氫的同位素氚的衰變過程進行測量。氚衰變後成為氦原子、一個電子和一個電子反中微子。根據中微子質量的不同,衰變過程的能量分配也不同。研究人員由此探測中微子的質量上限。

這項實驗使用了一個長達70米的設備,其中包括世界上最強的一個用於產生氚的單元,和一個巨大的光譜儀。這個產生氚的單元所實現氚元素衰變的比例於其它放射性元素相比很高,光譜儀用於測量衰變後粒子的能量。研究稱,這項測量結果達到了至今為止最高的精確度。

研究組發言人說:「我們將繼續測量中微子的質量直到2024年。為了充份發揮這項獨特實驗的潛力,我們還將繼續穩步增加信號事件的數量,不斷開發和安裝更新的設備以降低噪音數據的比例。」#

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