一个国际科学家小组宣布了一项突破，即寻求测量中微子的质量，中微子是我们宇宙中最丰富但最难以捉摸的基本粒子之一。

在日本富山的2019年Astroparticle和地下物理学会议上，来自KATRIN实验的领导人在9月13日报告说，中微子静止质量的估计范围不大于1电子伏特或eV。今年早些时候卡尔斯鲁厄氚中微子实验 - 或KATRIN - 通过将中微子质量的上限从2eV降低到1eV，将中微子的质量范围减少了一半以上。中微子质量的下限为0.02eV，由其他组先前的实验设定。

“了解中微子的质量将使科学家能够回答宇宙学，天体物理学和粒子物理学等基本问题，例如宇宙如何进化或物理学在标准模型之外存在什么，”KATRIN科学家兼物理学荣誉教授Hamish Robertson说。在华盛顿大学。“KATRIN合作的这些研究结果将中微子先前的质量范围缩小了两倍，对中微子的质量实际上提出了更严格的标准，并提供了一条前进的道路，以明确地衡量其价值。”

KATRIN实验基于德国卡尔斯鲁厄理工学院，涉及全球20个研究机构的研究人员。除华盛顿大学外，美国的KATRIN成员机构还包括：

北卡罗来纳大学教堂山分校，由前华盛顿大学教授，物理学和天文学教授John Wilkerson领导

麻省理工学院由物理学教授Joseph Formaggio领导

劳伦斯伯克利国家实验室由核科学部副主任Alan Poon领导

卡内基梅隆大学由物理学助理教授Diana Parno领导

凯斯西储大学由物理学副教授Benjamin Monreal领导

在Robertson和Wilkerson的领导下，华盛顿大学于2001年成为KATRIN的创始成员机构之一.Wilkerson后来搬到北卡罗来纳大学教堂山分校。Formaggio和Parno开始作为华盛顿大学的研究人员参与KATRIN，后来转到他们现有的院校。除了Robertson之外，其他目前从事KATRIN实验的华盛顿大学科学家还是物理学研究教授Peter Doe，物理学研究副教授Sanshiro Enomoto和Sunlei Sun，他是华盛顿大学实验核物理和天体物理学中心的博士后研究员。

中微子很丰富。它们是我们宇宙中最常见的基本粒子之一，仅次于光子。然而，中微子也难以捉摸。它们是没有电荷的中性粒子，它们只通过恰当命名的“弱相互作用”与其他物质相互作用，这意味着检测中微子并测量其质量的机会既罕见又困难。

用于KATRIN实验的光谱仪，于2006年通往德国小镇Eggenstein-Leopoldshafen，前往附近的卡尔斯鲁厄理工学院。图片来源：卡尔斯鲁厄理工学院

罗伯逊说：“如果太阳系中的铅含量超过冥王星轨道的五十倍，太阳发出的中微子中约有一半仍会离开太阳系，而不会与太阳系相互作用。”

中微子也是神秘的粒子，已经动摇了物理学，宇宙学和天体物理学。粒子物理学的标准模型曾经预测中微子应该没有质量。但到了2001年，科学家们已经展示了两个探测器，Super-Kamiokande和萨德伯里中微子天文台，他们实际上确实有一个非零质量 - 这是2015年诺贝尔物理学奖所认可的突破。中微子有质量，但多少?

“解决中微子的质量将使我们进入一个创造新标准模型的勇敢新世界，”Doe说。

KATRIN的发现源于对稀有类型的电子 - 中微子对如何共享能量的直接，高精度测量。这种方法与20世纪90年代和21世纪初在德国美因茨和俄罗斯Troitsk的中微子质量实验相同，两者都将质量的先前上限设定为2eV。KATRIN实验的核心是产生电子 - 中微子对的来源：气态氚，一种高度放射性的氢同位素。由于氚核经历放射性衰变，它会发射出一对粒子：一个电子和一个中微子，两者共享18,560 eV的能量。

KATRIN科学家无法直接测量中微子，但他们可以测量电子，并尝试根据电子特性计算中微子属性。

氚发射的大多数电子 - 中微子对均等地分担它们的能量负荷。但在极少数情况下，电子几乎占据了所有的能量 - 只留下了很少的中微子能量。这些罕见的配对是KATRIN科学家所追求的因为 - 感谢E = mc2-科学家们知道，为中微子留下的微量能量必须包括它的静止质量。如果KATRIN可以精确测量电子的能量，他们可以计算出中微子的能量，从而计算出它的质量。

氚源每秒产生大约250亿个电子 - 中微子对，其中只有一小部分是电子几乎占据所有衰变能量的对。卡尔斯鲁厄的KATRIN工厂使用一系列复杂的磁铁将电子从氚源引向静电光谱仪，静电光谱仪以高精度测量电子的能量。光谱仪内的电势产生“能量梯度”，电子必须“爬上”才能通过光谱仪进行检测。通过调整电位，科学家们可以研究稀有的高能电子，这些电子带有有关中微子质量的信息。

在2010年的图像中，KATRIN实验的成员在卡尔斯鲁厄理工学院安装后在光谱仪前面摆出姿势。图片来源：Joachim Wolf / Karlsruhe Institute of Technology

美国机构已经为KATRIN做出了广泛的贡献，包括提供电子探测器系统--KATRIN的“眼睛” - 它研究了光谱仪的核心，这是一种在威斯康星大学建造的仪器。北卡罗来纳大学教堂山分校领导了探测器数据采集系统的开发，这是KATRIN的“大脑”。麻省理工学院的贡献是用于模拟KATRIN响应的模拟软件的设计和开发。劳伦斯伯克利国家实验室为物理分析计划的创建做出了贡献，并提供了对国家计算机设施的访问，并通过一系列源自威斯康星大学的应用程序实现了快速分析。凯斯西储大学负责设计电子枪，这是校准KATRIN设备的核心。

随着目前正在进行氚数据采集，美国机构正专注于分析这些数据，以进一步提高我们对中微子质量的认识。这些努力也可能揭示了无菌中微子的存在，这是一种可能的暗物质候选物，虽然占宇宙物质的85%，但仍未被发现。

“卡特琳不仅是基础研究的光辉灯塔，也是一种非常可靠的高科技仪器，也是国际合作的动力，为年轻研究人员提供一流的培训，”卡尔斯鲁恩研究所的KATRIN共同发言人Guido Drexlin说。技术和明斯特大学的Christian Weinheimer在一份声明中。

现在，KATRIN科学家已经为中微子的质量设定了一个新的上限，项目科学家正在努力进一步缩小范围。

“中微子是奇怪的小颗粒，”Doe说。“它们无处不在，一旦我们确定了这个价值，我们就可以学到很多东西。”

美国能源部核物理办公室自2007年以来一直资助美国参与KATRIN实验。