一项新的测量发现,宇宙中最微小的粒子的质量不超过电子质量的百万分之一。
物理学家对难以捉摸的中微子(宇宙中已知最小的粒子之一)的大小设定了新的限制,相比之下,这一限制使其他亚原子粒子看起来和黑洞一样大。
在本周《科学》杂志上发表的一项新研究结果中,研究人员对这种微小粒子的质量设定了一个新的上限:不超过0.45电子伏特(eV)。作为背景,这还不到电子质量的百万分之一,而电子的质量相对较大,为511000电子伏特。所以,是的,中微子非常轻。
每秒都有数万亿个中微子穿过你的身体,但它们很小,相互作用也很弱,你感觉不到。
中微子是唯一已知的质量未知的基本粒子,尽管这些基本粒子与标准模型的配合程度仍存在疑问。精确地测定中微子的质量可以对宇宙规律提供深刻的见解。中微子是否像其他粒子一样从希格斯玻色子中获得质量?还是有某种全新的机制在起作用?
进入卡尔斯鲁厄氚中微子实验,或KATRIN,一个75英尺长(23米长)的飞艇形真空室。科学家们在真空室中监测氚的放射性衰变;当氚衰变时,它会释放出电子和反中微子。研究人员不能直接测量反中微子(它们像什么都没有一样穿过物质),但他们可以(也确实)研究剩余电子的能量,从而推断出缺失粒子的质量。
在分析了259天的数据后,KATRIN团队能够将之前对中微子质量的最佳估计(0.8 eV)削减近一半。但他们还没有完成;当整个1000天的数据集被处理完毕时,研究小组希望将质量限制降低到0.3 eV,甚至0.2 eV。
中微子在亚原子袖子里仍然有很多把戏。正如马克斯·普朗克研究所的物理学家苏珊娜·默滕斯所说,KATRIN合作项目的测量可能是进入新物理学的后门,也可能是更好地理解早期宇宙是如何进化的。
今年2月,另一个研究小组在地中海深处探测到能量最高的中微子(由于其神秘的性质,也被称为“幽灵粒子”),表明这些粒子可能是由物质和宇宙微波背景(宇宙中最古老的可见光)之间的相互作用发射出来的。
如果中微子的质量更大 —— 大约1电子伏特 ——KATRIN合作项目就能找到它的实际值。但由于粒子如此之小,可能需要一种新的改进的探测器 —— KATRIN ++ —— 来精确测量它的质量。
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