项目8创新性地利用回旋辐射发射光谱法观察氚衰变中的电子行为，设定了中微子质量的上限。这标志着粒子物理学长期面临的挑战取得了进展，有可能提高我们对宇宙演化的理解。
中微子是普遍存在的基本粒子，与正常物质的相互作用非常弱。因此，它们通常不受阻碍地穿透它，因此也被称为鬼粒子。然而，中微子在早期宇宙中起着主导作用。为了充分解释我们的宇宙是如何演化的，我们首先需要知道它们的质量。但到目前为止，还不可能确定这个质量。
8号计划的新方法
国际合作项目8希望通过新的实验改变这一现状。8号项目首次使用了一种全新的技术，即所谓的回旋辐射发射光谱(CRES)来确定中微子的质量。
在最近发表在《物理评论快报》上的一篇文章中，8号项目的合作现在已经能够证明CRES方法确实适用于确定中微子的质量，并且已经在第一次测量中设定了这个基本量的上限——因此达到了一个重要的里程碑。来自美因茨约翰内斯·古腾堡大学(JGU)的Martin Fertl教授和Sebastian教授B?ser的研究小组也参与其中，他们都是PRISMA+卓越集群的研究人员。Christine Claessens博士曾是Sebastian B?ser的博士生，现在是美国西雅图华盛顿大学的博士后，作为她博士论文的一部分，她为当前的出版物做出了重要贡献。
通过电子行为测量中微子质量
8号项目实验利用放射性氚的衰变来追踪中微子的质量。氚是氢的重亲戚，一种所谓的同位素。它是不稳定的，由一个质子和两个中子组成。通过将其中一个中子转化为质子，氚衰变为氦，同时释放出一个电子和一个反中微子。
“问题来了，”马丁·费尔特教授说。“因为中微子和它们的反粒子不带电荷，所以很难被探测到。因此，我们甚至没有尝试去检测它们。相反，我们通过它们在磁场中的轨道频率来测量产生的电子的能量。根据电子能谱的形状，我们确定了中微子的质量，或者以这种方式设定了质量的上限。”
CRES的精度
为了得到可靠的结果，必须极其精确地测量电子的能量。这是因为产生的(反)中微子非常轻，至少比电子轻50万倍。
“当中微子和电子同时产生时，中微子的质量对电子的运动只有很小的影响。我们希望看到这种微小的影响，”塞巴斯蒂安教授解释说B?ser。
使这成为可能的方法被称为回旋辐射发射光谱，简称cre。它记录了新生电子在磁场中被迫进入圆形路径时发出的微波辐射。发射辐射的频率可以非常精确地确定，然后中微子的质量可以从电子能量推断出来。
为了完成这项工作，克里斯汀·克莱森斯在实验上做出了决定性的贡献:“作为我博士论文的一部分，我开发了一个由实时触发和离线事件重建组成的事件检测系统。该系统在经过连续数字化处理的射频信号中寻找具有特征的CRES特征。重建每个电子事件的起始频率可以实现对氚衰变谱的高精度记录。”
实验结果
在此基础上，Claessens成功地分析了用CRES记录的第一个与系统不确定度相关的氚谱，从而用这种新技术计算了中微子质量的第一个上限，现在已经在最新的出版物中找到了它的方式。
在那里，8号项目的合作特别报告了3770个氚衰变事件，这些事件在一个豌豆大小的样本细胞中记录了82天的时间。样品电池被冷却到非常低的温度，并放置在磁场中，使逸出的电子在一个足够长的圆形路径上移动，以便探测器记录微波信号。至关重要的是，没有假信号或背景事件被记录，可能被误认为或掩盖真实信号。
Sebastian教授B?ser和Martin Fertl教授总结道:“通过纯粹基于频率的测量技术首次确定中微子质量的上限是一个非常有希望的结果，因为我们现在可以非常准确地测量频率。”
接下来的步骤已经在进行中
在成功地证明了原理之后，下一步就准备好了:对于最后的实验，研究人员需要单个的氚原子，这些原子是他们从氚分子的裂变中产生的。这很棘手，因为氚和氢一样，更喜欢形成分子。开发这样一种源——首先是氢原子，后来是氚原子——是美因茨团队的重要贡献。
目前，包括来自全球10个研究机构的成员在内的“8号项目”合作项目正致力于测试设计，以将实验从豌豆大小的样品室扩大到1000倍大的样品室。这将允许记录更多的衰变事件。在一个多年的研究和发展计划结束后，Project 8实验将最终超越之前实验的灵敏度——比如目前的KATRIN实验——首次提供中微子质量的值。
有关这项研究的更多信息，请参见“8号项目正在接近难以捉摸的中微子”。
参考文献:A. Ashtari Esfahani等人的“回旋辐射发射光谱中的氚β光谱测量和中微子质量极限”(项目8合作)，2023年9月6日，物理评论快报。DOI: 10.1103/ physrevlet .131.102502分享TWEET REDDIT电子邮件分享
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