卡爾斯魯厄氚中微子實驗

卡爾斯魯厄氚中微子實驗(英語:Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment,簡稱KATRIN)是一項通過觀測β衰變發射的電子能譜,以亞電子伏特精度測量反電中微子質量的實驗。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]

將主能譜儀運送至卡爾斯魯厄理工學院時的照片

2022年2月,KATRIN實驗組宣布,在90%置信水平下測得的反電中微子質量上限為0.8 eV[3][4]

建設過程

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KATRIN光束線及其主要部件的示意圖[3]

KATRIN的主能譜儀由MAN DWE GmbH公司德語MAN DWE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

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β衰變發射的電子能譜
圖中顯示了中微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中微子質量。KATRIN實驗通過高精度測量末端周圍的能譜以決定中微子質量上限。

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中微子僅能持有總和為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)。這意味着,中微子攜帶的能量將非常小。如果中微子是無質量粒子,則中微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,如果中微子具有質量,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,與中微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,電子和中微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電勢,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

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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%置信水平反電中微子的質量上限為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中微子質量上限為0.8 eV[3][4]

參見

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參考來源

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  1. ^ 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). 
  2. ^ 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. ^ 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. ^ 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). 
  5. ^ 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). 
  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  (英語). 
  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 (英語). 
  8. ^ Inauguration KATRIN. 卡爾斯魯厄理工學院. [2024-09-02] (英語). 
  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 (英語). 
  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 (英語). 
  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  (英語). 
  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).