物理学家对中微子的质量设定了新的上限。这一发现可能会在粒子物理学的标准模型中戳一个大坑。


工程师们站在德国卡尔斯鲁厄理工学院的 KATRIN 中微子实验内。 （图片来源：卡尔斯鲁厄理工学院）
物理学家已经将一种称为中微子的难以捉摸的“幽灵粒子”的最大可能质量缩小到至少电子重量的百万分之一。此次修订使科学家们朝着可能改变甚至颠覆粒子物理学标准模型的发现又迈进了一步。

我们的宇宙中充斥着物质的幽灵斑点。每秒，大约有 1000 亿个中微子穿过您身体的每一平方厘米。它们在多个地方产生：恒星的核火、巨大的恒星爆炸、放射性衰变以及地球上的粒子加速器和核反应堆。

尽管中微子是宇宙中最常见的物质形式，但中微子与其他物质类型的相互作用极小，这使得它们出了名的难以探测，而且它们是标准模型中唯一没有精确质量的粒子。

寻找这个质量可能会对我们对宇宙的理解产生重大影响。尽管有大量相反的实验暗示，但标准模型预测中微子根本不应该有任何质量。因此，找到它可能会在模型中戳一个足够宽的洞，以适应新的物理场。它甚至可以解释我们最初存在的原因。

现在，德国卡尔斯鲁厄氚中微子（或 KATRIN）实验的新发现已经更接近这个目标——将幽灵粒子的质量上限设定为 0.45 电子伏特，这让实验之前的上限降低了近一半。研究人员周四（4 月 10 日）在《科学》杂志上发表了他们的结果。

中微子有三种不同的风味状态，称为电子、μ 子和 tau 中微子，具体取决于它们与之相互作用的不同粒子。这些风味态被认为是质量态的混合物，而中微子具有质量的最有力证据是，奇怪的是，它们可以自发地在口味之间切换——这一发现为其发现者赢得了 2015 年的诺贝尔物理学奖。

然而，这个质量非常小，物理学家并没有真正确切的解释来解释其中的原因。

为了寻找答案，这项新研究背后的物理学家转向了不稳定氢同位素氚的放射性衰变，氚分裂成电子和电子反中微子——电子中微子的反物质对应物。

中微子，或反中微子，不能直接检测到，但它们的质量从伴随电子的速度中减去的能量可以。KATRIN 研究人员在粒子到达实验另一端的探测器时检测到了令人难以置信的 3600 万个这样的电子。这使研究人员能够推断出最大电子反中微子质量。

设定了这个上限后，物理学家将在 2025 年底之前继续收集更多数据，以进一步限制中微子质量。

与此同时，其他科学家正在利用类似的氚衰变来寻找质量，通过研究被称为 π 和 kaons 的粒子的其他衰变，甚至通过凝视太空中蚀刻在早期宇宙中的古老冲击波。他们的发现可能会使我们对宇宙的描述更加清晰，或者永远改变它。