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卡尔斯鲁厄氚中微子实验

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卡尔斯鲁厄氚中微子实验（英语：Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment，简称KATRIN）是一项通过观测氚的β衰变发射的电子能谱，以亚电子伏特精度测量反电中微子质量的实验。实验设施位于德国巴登-符腾堡州卡尔斯鲁厄，由卡尔斯鲁厄理工学院主导[1][2]。

将主能谱仪运送至卡尔斯鲁厄理工学院时的照片

2022年2月，KATRIN实验组宣布，在90%置信水平下测得的反电中微子质量上限为0.8 eV[3][4]。

建设过程

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KATRIN光束线及其主要部件的示意图[3]

KATRIN的主能谱仪由MAN DWE GmbH公司（德语：MAN DWE）于德国代根多夫建造。该建造地点距KATRIN的预计建设地卡尔斯鲁厄约350千米远。受限于主能谱仪的大小，它无法通过距离较近的陆路运输，而是只能通过在海上绕一大圈的方法运送到卡尔斯鲁厄。2006年，主能谱仪通过船只经多瑙河被运至黑海，在途经地中海和大西洋后，从莱茵河重新进入德国境内。在经过约8600千米的海路运输后，主能谱仪从埃根施泰因-莱奥波尔茨港出发，经由仅7公里长的陆路于2006年11月29日被成功运输到了卡尔斯鲁厄[5]。

2015年，主能谱仪在KATRIN实验场地内完成了调试[6]。KATRIN于2016年10月开始运行测试[7]。在经历了近2年的测试运行后，落成典礼于2018年6月11日举行[8]。当时预计的实验持续时间为5年。第一次具有科研意义的观测于2019年4月10日进行[9]。

原理

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氚的β衰变发射的电子能谱
图中显示了中微子质量上限处于不同情况下的能谱。这些能谱仅在末端附近的范围内有所不同，与横坐标的交点取决于中微子质量。KATRIN实验通过高精度测量末端周围的能谱以决定中微子质量上限。

氚的β衰变是能量最低的β衰变之一，在该过程中释放出的电子和中微子仅能持有总和为18.6 keV的能量。KATRIN实验旨在产生一个非常精确的电子发射光谱，其能量非常接近于总能量（只有数eV的差别）。这意味着，中微子携带的能量将非常小。如果中微子是无质量粒子，则中微子可以携带的能量没有下限，因此电子能谱可以一直延伸到18.6 keV的极限。然而，如果中微子具有质量，根据质能等价，它必须总是带走至少相当于其质量的能量。这将导致电子能谱的末端必须低于总能量极限，与中微子是无质量粒子的情况相比具有不同的形状。

在绝大多数β衰变过程中，电子和中微子带走的能量大致相等。然而，KATRIN实验感兴趣的事件非常罕见，其中电子几乎带走了所有的能量。这种罕见的事件基本只会在1万亿次事件中出现1次。为了使探测器在不需要观测巨量的β衰变事件的前提下过滤掉常见事件，电子在KATRIN实验中需要通过一个比总能量限制低几eV的电势，使得所有低于该阈值的电子不会进入观测区域内[10]。

实验结果

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与KATRIN首个实验结果相关的论文于2019年12月发表在物理评论快报上。实验组通过2019年4月10日至5月13日进行的实验结果，得出在90%置信水平下反电中微子的质量上限为1.1 eV的结论[9][11][12]。

2022年2月，KATRIN实验组更新了结论，认为在90%置信水平下测得的反电中微子质量上限为0.8 eV[3][4]。

参见

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参考来源

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  1. ^ Recognized Experiments at CERN. The CERN Scientific Committees. 欧洲核子研究中心. [2020-01-20]. （原始内容存档于2019-06-13） （英语）. 
  2. ^ RE14/KATRIN : The Karlsruhe Tritium Neutrino experiment. The CERN Experimental Programme. 欧洲核子研究中心. [2020-01-20]. （原始内容存档于2021-04-22） （英语）. 
  3. ^ 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 （英语）. 
  4. ^ 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. （原始内容存档于2023-08-07） （英语）. 
  5. ^ KATRIN实验组. Main Spectrometer. 卡尔斯鲁厄理工学院. [2024-09-02]. （原始内容存档于2023-03-25） （英语）. 
  6. ^ 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   （英语）. 
  7. ^ 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 （英语）. 
  8. ^ Inauguration KATRIN. 卡尔斯鲁厄理工学院. [2024-09-02] （英语）. 
  9. ^ 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 （英语）. 
  10. ^ 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 （英语）. 
  11. ^ 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   （英语）. 
  12. ^ Drexlin, Guido; et al. Direct neutrino mass measurement (PDF). 16th International Conference on Topics in Astroparticle Physics and Underground Physics (TAUP) (plenary talk slides). 日本富山县. 2019-09-09 [2021-10-09]. （原始内容 (PDF)存档于2021-12-25） –通过东京大学 （英语）. 
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