卡爾斯魯厄氚微中子實驗
卡爾斯魯厄氚微中子實驗（英語：Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment，簡稱KATRIN）是一項通過觀測氚的β衰變發射的電子能譜，以亞電子伏特精度測量反電微中子質量的實驗。實驗設施位於德國巴登-符騰堡州卡爾斯魯厄，由卡爾斯魯厄理工學院主導[1][2]。
2022年2月，KATRIN實驗組宣布，在90%置信水平下測得的反電微中子質量上限為0.8 eV[3][4]。
建設過程
[編輯]
KATRIN的主能譜儀由MAN DWE GmbH公司於德國代根多夫建造。該建造地點距KATRIN的預計建設地卡爾斯魯厄約350千米遠。受限於主能譜儀的大小，它無法通過距離較近的陸路運輸，而是只能通過在海上繞一大圈的方法運送到卡爾斯魯厄。2006年，主能譜儀通過船隻經多瑙河被運至黑海，在途經地中海和大西洋後，從萊茵河重新進入德國境內。在經過約8600千米的海路運輸後，主能譜儀從埃根施泰因-萊奧波爾茨港出發，經由僅7公里長的陸路於2006年11月29日被成功運輸到了卡爾斯魯厄[5]。
2015年，主能譜儀在KATRIN實驗場地內完成了調試[6]。KATRIN於2016年10月開始運行測試[7]。在經歷了近2年的測試運行後，落成典禮於2018年6月11日舉行[8]。當時預計的實驗持續時間為5年。第一次具有科研意義的觀測於2019年4月10日進行[9]。
原理
[編輯]
圖中顯示了微中子質量上限處於不同情況下的能譜。這些能譜僅在末端附近的範圍內有所不同，與橫坐標的交點取決於微中子質量。KATRIN實驗通過高精度測量末端周圍的能譜以決定微中子質量上限。
氚的β衰變是能量最低的β衰變之一，在該過程中釋放出的電子和微中子僅能持有總和為18.6 keV的能量。KATRIN實驗旨在產生一個非常精確的電子發射光譜，其能量非常接近於總能量（只有數eV的差別）。這意味著，微中子攜帶的能量將非常小。如果微中子是無質量粒子，則微中子可以攜帶的能量沒有下限，因此電子能譜可以一直延伸到18.6 keV的極限。然而，如果微中子具有質量，根據質能等價，它必須總是帶走至少相當於其質量的能量。這將導致電子能譜的末端必須低於總能量極限，與微中子是無質量粒子的情況相比具有不同的形狀。
在絕大多數β衰變過程中，電子和微中子帶走的能量大致相等。然而，KATRIN實驗感興趣的事件非常罕見，其中電子幾乎帶走了所有的能量。這種罕見的事件基本只會在1萬億次事件中出現1次。為了使探測器在不需要觀測巨量的β衰變事件的前提下過濾掉常見事件，電子在KATRIN實驗中需要通過一個比總能量限制低幾eV的電位，使得所有低於該閾值的電子不會進入觀測區域內[10]。
實驗結果
[編輯]與KATRIN首個實驗結果相關的論文於2019年12月發表在物理評論快報上。實驗組通過2019年4月10日至5月13日進行的實驗結果，得出在90%置信水平下反電微中子的質量上限為1.1 eV的結論[9][11][12]。
2022年2月，KATRIN實驗組更新了結論，認為在90%置信水平下測得的反電微中子質量上限為0.8 eV[3][4]。
參見
[編輯]
參考來源
[編輯]- ^ Recognized Experiments at CERN. The CERN Scientific Committees. 歐洲核子研究中心. [2020-01-20]. （原始內容存檔於2019-06-13） （英語）.
- ^ RE14/KATRIN : The Karlsruhe Tritium Neutrino experiment. The CERN Experimental Programme. 歐洲核子研究中心. [2020-01-20]. （原始內容存檔於2021-04-22） （英語）.
- ^ 3.0 3.1 3.2 KATRIN Collaboration. Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity. Nature Physics. 2022, 18: 160–166. doi:10.1038/s41567-021-01463-1 （英語）.
- ^ 4.0 4.1 Castelvecchi, Davide. How light is a neutrino? The answer is closer than ever. Nature. 2022-02-14 [2024-09-02]. PMID 35165410. S2CID 246827702. doi:10.1038/d41586-022-00430-x. （原始內容存檔於2023-08-07） （英語）.
- ^ KATRIN實驗組. Main Spectrometer. 卡爾斯魯厄理工學院. [2024-09-02]. （原始內容存檔於2023-03-25） （英語）.
- ^ Mertens, S.; et al. Status of the KATRIN Experiment and Prospects to Search for keV-mass Sterile Neutrinos in Tritium β-decay. Physics Procedia. 2015, 62: 267-273. Bibcode:2015PhPro..61..267M. doi:10.1016/j.phpro.2014.12.043
（英語）.
- ^ Woosik Gil. First Operation of the Complete KATRIN Superconducting Magnet Chain. IEEE Transactions on Applied Superconductivity. 2018, 28 (4): 1–5. doi:10.1109/TASC.2018.2809511 （英語）.
- ^ Inauguration KATRIN. 卡爾斯魯厄理工學院. [2024-09-02] （英語）.
- ^ 9.0 9.1 KATRIN Collaboration. Improved Upper Limit on the Neutrino Mass from a Direct Kinematic Method by KATRIN. Physical Review Letters. 2019, 123 (22): 221802. doi:10.1103/PhysRevLett.123.221802 （英語）.
- ^ Aker, M.; et al. KATRIN: status and prospects for the neutrino mass and beyond. Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics. 2022, 49 (10): 100501. doi:10.1088/1361-6471/ac834e （英語）.
- ^ Neutrinos, flu vaccines and Fukushima ruling. Nature. 2019, 573 (7775): 468–469. Bibcode:2019Natur.573..468.. PMID 31554997. doi:10.1038/d41586-019-02843-7 （英語）.
- ^ Drexlin, Guido; et al. Direct neutrino mass measurement (PDF). 16th International Conference on Topics in Astroparticle Physics and Underground Physics (TAUP) (plenary talk slides). 日本富山縣. 2019-09-09 [2021-10-09]. （原始內容 (PDF)存檔於2021-12-25） –透過東京大學 （英語）.
