中微子尤其難以檢測。但它是宇宙中最豐富的物質粒子之一。根據粒子物理學的標準模型 已知有三種類型。當科學家發現中微子振盪時，情況發生了變化。這種現象表明中微子具有質量並且可以在不同類型之間切換。當他們穿過空間時。多年來，一些無法解釋的實驗結果引發了人們對第四種稱為惰性中微子的猜測。它的反應比其他類型弱。證實它的存在將是我們對基礎物理學理解的重大轉變。
一項新研究發表於 自然 最準確的惰性中微子直接搜索報告。這項工作來自 KATRIN 合作項目，該項目通過分析放射性同位素衰變來尋找額外中微子的微妙信號。
KATRIN（卡爾斯魯厄氚中微子）實驗最初是為了測量中微子的質量而設計的。通過仔細跟踪同位素衰變過程中釋放的電子能量，當同位素衰變時，中微子會帶走一些能量。這會導致發射電子的能量模式發生輕微變化。如果有時只產生惰性中微子就好了。它會在圖案中產生已知的扭曲或“扭結”。
KATRIN 位於德國卡爾斯魯厄理工學院。該裝置長 70 多米，包括一個強大的無窗氚氣源。精確測量電子能量的高分辨率光譜儀。和記錄粒子的探測器 自 2019 年啟動以來，該實驗一直以無與倫比的精度收集 β 同位素衰變的數據。具體來說，它尋找惰性中微子預期的小偏差。
關於無菌中微子的數據揭示了什麼？
以新的方式 自然 該團隊報告了迄今為止最靈敏的無同位素中微子搜索。 2019 年至 2021 年間，KATRIN 在 259 天的數據採集中記錄了約 3600 萬個電子。這些測量結果與詳細的 β 衰變模型進行了比較，精度優於百分之一。分析沒有發現惰性中微子的證據。
這個結果排除了各種可能性。之前的異常現像已經表明了這一點。這些異常現象包括反應堆中微子實驗中發現的意外缺陷。以及鎵源的測量這兩者都暗示了第四個中微子。這一發現與 Neutrino-4 實驗形成鮮明對比。其中引用了此類粒子存在的證據
KATRIN 的超低背景意味著幾乎所有檢測到的電子都來自同位素衰變。這樣可以非常乾淨地測量能譜。與觀察中微子在行進一定距離後如何改變其特性的振盪實驗不同，KATRIN 將監測中微子產生時的能量分佈。這是因為這些方法檢查中微子行為的不同方面。因此，它們相互補充，共同為惰性中微子假說提供了強有力的證據。
KATRIN 如何補充其他試驗？
“我們的新結果與 STEREO 等反應堆實驗完全互補，”領導該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 (Thierry Lasserre) 解釋道。 “在實驗中，反應器對略低於 eV 的無菌質量分離最敏感。2KATRIN 測量的範圍從幾個 eV² 到數百個 eV²。這兩種方法現在顯然排除了會與已知類型的中微子混合的惰性中微子。 ”
期待更多信息和新探測器。
KATRIN 將繼續收集數據直至 2025 年，進一步提高其靈敏度。並允許對無光中微子進行更嚴格的測試。 KATRIN 聯合發言人 Kathrin Valerius (KIT) 表示：“當數據採集於 2025 年完成時，KATRIN 將在感興趣的區域記錄超過 2.2 億個電子。這使記錄增加了六倍以上。” “這將使我們能夠將探頭精度和混合角度的界限推向遠低於當前限制的水平。”
計劃於 2026 年進行升級，屆時 TRISTAN 探測器將被添加到實驗中。特里斯坦將以前所未有的統計數據記錄完整的β同位素衰變譜。繞過主光譜儀並直接測量電子能量，特里斯坦將能夠檢測到更重的惰性中微子。 “這一下一代裝置打開了一個關於 keV 質量範圍的新窗口，其中惰性中微子可能形成宇宙的暗物質，”共同發起人蘇珊娜·梅爾滕斯（馬克斯普朗克核物理研究所）說。
國際科學事業
KATRIN 合作匯集了來自七個國家 20 多個機構的科學家，反映了有史以來最準確的中微子實驗背後的全球努力。
