中微子可以說是宇宙中最吸引人的基礎粒子。在宇宙學中，它們在大尺度結構的形成中發揮着重要作用，而在粒子物理學中，它們非常小的質量使它們與眾不同，指出了超出我們現有理論的新物理現象。
如果不對中微子的質量進行測量，我們對宇宙的理解將是不完整的。而測量世界上最敏感的中微子，這就是位於 KIT 的國際 KArlsruhe TRItium Neutrino（KATRIN）實驗所面臨的挑戰。該實驗有來自全球 6 個國家的合作夥伴參與其中。
KATRIN 利用不穩定氫同位素氚的β衰變，通過衰變過程中釋放的電子的能量分佈來確定中微子的質量。這需要一項重大的技術努力。這個70米長的實驗包含了世界上最強烈的氚源，以及一個巨大的光譜儀，以前所未有的精度測量衰變電子的能量。在 2019 年開始科學測量后，在過去的兩年裡，數據的高質量得到了持續的改善。
來自 KIT 的 Guido Drexlin 教授和來自明斯特大學的 Christian Weinheimer 教授是項目負責人，以及實驗的共同發言人。Drexlin 教授說：“KATRIN 作為一個具有最高技術要求的實驗，現在正像一個完美的鐘錶一樣運行着”。Weinheimer 教授補充說：“背景率的降低和信號率的提高對新的結果起着決定性作用”。
如何深入分析實驗數據是一個巨大的挑戰。目前負責分析的團隊由 KIT 的 Magnus Schlösser 博士、馬克斯·普朗克物理研究所和慕尼黑工業大學的 Susanne Mertens 教授共同領導。Schlösser 表示：“對中微子質量的每一個影響，無論多麼微小，都必須進行詳細的調查。這種費力而複雜的工作是排除我們的結果因扭曲過程而出現系統偏差的唯一途徑”。
他們繼續說道：“我們為我們的分析團隊感到特別自豪，他們以極大的決心接受了這一巨大的挑戰並獲得了成功。來自第一年測量的實驗數據和基於極小的中微子質量的建模完全匹配。科學家們指出，這使他們能夠確定中微子質量的新上限為0.8eV。這是直接中微子質量實驗首次進入與宇宙學和粒子物理學高度相關的亞eV質量範圍，因為中微子的基本質量尺度被認為在這裡”。
中微子專家、北卡羅來納大學的約翰-威爾克森（KATRIN 執行委員會主席）評論說：“粒子物理學界對KATRIN打破1-eV的障礙感到興奮”。
Schlösser 強調說：“這一成功的決定性基礎是，在卡爾斯魯厄氚實驗室將源提升到額定源強度，以及光譜儀、探測器和低溫基礎設施的運行都很順利。這要歸功於我們高度積極的工作人員的專業奉獻，他們支持了這項大規模的實驗”。
更多關於這項研究的信息，可以訪問 New World Record: “Ghost Particle” Experiment Limits Neutrino Mass With Unprecedented Precision.
參考: “Direct neutrino-mass measurement with sub-eV sensitivity” by The KATRIN Collaboration, 14 February 2022, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1