科学家为宇宙最难以捉摸的粒子称重

KATRIN光谱仪中的真空室。资料来源:迈克尔·扎克

银色真空室看起来像齐柏林飞船。不锈钢面板之间的焊接线模糊地装饰着艺术风格。它曾经似乎充满了未来的感觉，但现在它已经过时了。尽管它只有兴登堡号宇宙飞船的1/10大，但它仍然和蓝鲸一样大——宇宙飞船坐落在德国卡尔斯鲁厄理工学院的一个像机库一样的建筑里，看起来随时可以飘走。尽管真空室附着在地面上，但它有一个“空灵”的目的:称量中微子，这是最难以捉摸和神秘的亚原子粒子。

2001年，物理学家设计了卡尔斯鲁厄氚中微子(KATRIN)实验。现在，6000万欧元项目的各个部分终于走到了一起。研究人员计划明年年初开始收集数据。“这是最后的倒计时。”基特物理学家吉多·德雷克斯林(Guido Drexlin)是从事该项目的大约140名研究人员的联合发言人，他说。

考虑到宇宙包含的中微子比任何其他物质粒子都多，物理学家不知道中微子有多重似乎很荒谬。每立方厘米的空间平均有大约350个大爆炸遗留下来的原始中微子。与此同时，太阳每秒钟产生数十亿高能中微子穿过人体。然而，没有人注意到它，因为这个粒子和物质之间的相互作用非常微弱。只看到几个中微子需要几吨重的探测器。目前，还没有简单的方法来测量中微子的重量。

推断中微子

1914年，英国物理学家詹姆斯·查德威克研究了β衰变。这是一种放射性衰变的形式，其中原子核释放电子，从而将中子转化为质子。能量守恒定律表明，来自特定原子核铅-214的电子应该总是以相同的能量出现。然而，查德威克发现它们出现在相当大的能量范围内。一些电子的能量甚至延伸到零，好像它们正在消失。

这一观察导致了物理学上的一个小危机。伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔甚至提出，能量可能无法在原子尺度上保存。然而，在1930年，“淘气”的奥地利理论家沃尔夫冈·保利用一种更简单的方法解决了这个问题。他的结论是，在β衰变中，第二个不可见的粒子出现时带有电子，并带有一些随机的能量“逃逸”。粒子必须非常轻，不到质子质量的1%，并且不带电荷，所以探测器无法探测到。

三年后，意大利物理学家恩利克·费密称这个假设的粒子为中微子。在发展更完善的β衰变理论的过程中，费米认识到电子的能量可以为研究中微子的关键属性——质量提供线索。如果中微子没有质量，电子光谱应该扩展到它单独出现时的能量。如果中微子有质量，那么能谱应该缺少一个相当于它们质量的部分。为了测量中微子的质量，物理学家只需要精确地描述β衰变中电子能谱的上限。

然而，这种测量方法需要极高的精度。几十年来，物理学家一直试图用氚，β衰变最简单的原子核，来进行这些测量。1949年，第一项研究表明中微子的质量小于500电子伏特，即电子质量的1/1000。华盛顿大学的成员和物理学家哈米什·罗伯逊说，从那时起，一系列的实验每八年就将电子光谱的上限减半。"中微子的质量有点遵循摩尔定律."罗伯逊说。今天，上限约为2eV——最轻原子质量的十亿分之一。1999年，在德国美因茨和俄罗斯特洛伊的兹科分别进行的测试报告了这一结果。

设计KATRIN测试

2001年，科学家们聚集在德国黑森林地区巴德雷本采尔乡村的一座高山上的城堡里，决定通过进行氚β衰变实验来进一步推进中微子质量的测量。“这是KATRIN的起点。”德雷克斯林说。卡特林试验希望将质量上限降低10倍，即降低到0.2电子伏或更低，以便获得中微子质量的真实结果。

尽管KATRIN实验是70年来测量中微子质量探索的高潮，但该实验的结构有其自身的特点。实验的核心部分是一个23米长、近10米宽的不锈钢真空室，由位于德根多夫县的一家公司制造。从degendof县到KIT的KATRIN只有400公里。然而，由于没有直接的路线来容纳如此沉重的负荷，科学家们不能直接把它带回家。

相反，2006年9月，这个200吨重的装置开始了一段更长的旅程——首先沿着多瑙河到达黑海。从那里，一艘船载着它穿过爱琴海和地中海，然后沿着欧洲的大西洋海岸和莱茵河而上。最后，两个月后，它降落在基特以北7公里的一个村庄——豹子港。在那里，一辆特殊的卡车载着它慢慢穿过市中心，有时离路边只有5厘米。基特物理学家托马斯·图厄姆勒说，8800公里的旅程花费了60万欧元，“其中最后7公里的花费相当于之前所有阶段的花费。”

意义深远

几十年来，物理学家发现中微子存在于三种类型，或称“味道”——电子、μ子和τ介子，取决于它们产生的粒子的相互作用。1990年，位于日本西部的大型地下中微子探测器super-kamiokande进行的实验证实，宇宙射线与大气中的分子碰撞产生的μ子中微子在穿过地球到达探测器时会改变“味道”。

这种“味道”的变化表明中微子不可能是无质量的。否则，根据相对论，它们必须像光子一样以光速传播。在这种情况下，时间还是留给他们的，因此不可能改变“口味”。然而，这种“味道”的变化取决于三个中微子质量的不同，而不是确切的数值。因此，尽管物理学家已经详细研究了这一现象，但他们只能说某些中微子的质量必须至少为0.05电子伏。同时，他们不知道哪一种中微子最重或最轻。

宇宙学的结果表明KATRIN可能不够敏感，无法回答上述问题。大爆炸创造了一个中微子海洋，它塑造了宇宙结构的演化，减缓了星系和星系团的形成。通过研究新生宇宙中的物质刚刚开始聚集时释放的宇宙微波背景和星系的分布，宇宙学家得出结论，所有三个中微子的总质量没有超过0.2eV，这正是KATRIN灵敏度的上限。如果是这样，似乎不可能单独测量β衰变释放的电子中微子的质量，因为它对KATRIN来说太轻了。

然而，上述估计带有警告:这取决于宇宙学家使用的标准模型的有效性。标准模型假设宇宙包含普通物质、仅通过重力相互作用的神秘“暗物质”以及减缓星系团形成的奇怪“暗能量”。因此，加州大学欧文分校的宇宙学家凯文·阿巴查说，通过测量中微子的质量，卡特琳的物理学家可以测试标准模型，尤其是关于暗能量的假设，这可能会使事情发生逆转。“如果他们发现了与标准模型不一致的东西，他们可以说宇宙学有问题。”阿巴查说，“这将具有深远的意义。”(宗华编译)

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