一項新的測量發現,宇宙中最微小的粒子的質量不超過電子品質的百萬分之一。
物理學家對難以捉摸的中微子(宇宙中已知最小的粒子之一)的大小設定了新的限制,相比之下,這一限制使其他亞原子粒子看起來和黑洞一樣大。
在本周《科學》雜誌上發表的一項新研究結果中,研究人員對這種微小粒子的質量設定了一個新的上限:不超過0.45電子伏特(eV)。作為背景,這還不到電子品質的百萬分之一,而電子的質量相對較大,為511000電子伏特。所以,是的,中微子非常輕。
每秒都有數萬億個中微子穿過你的身體,但它們很小,相互作用也很弱,你感覺不到。
中微子是唯一已知的品質未知的基本粒子,儘管這些基本粒子與標準模型的配合程度仍存在疑問。精確地測定中微子的品質可以對宇宙規律提供深刻的見解。中微子是否像其他粒子一樣從希格斯玻色子中獲得品質?還是有某種全新的機制在起作用?
進入卡爾斯魯厄氚中微子實驗,或KATRIN,一個75英尺長(23米長)的飛艇形真空室。科學家們在真空室中監測氚的放射性衰變;當氚衰變時,它會釋放出電子和反中微子。研究人員不能直接測量反中微子(它們像什麼都沒有一樣穿過物質),但他們可以(也確實)研究剩餘電子的能量,從而推斷出缺失粒子的品質。
在分析了259天的數據后,KATRIN團隊能夠將之前對中微子品質的最佳估計(0.8 eV)削減近一半。但他們還沒有完成;當整個1000天的數據集被處理完畢時,研究小組希望將品質限制降低到0.3 eV,甚至0.2 eV。
中微子在亞原子袖子里仍然有很多把戲。正如馬克斯·普朗克研究所的物理學家蘇珊娜·默滕斯所說,KATRIN合作項目的測量可能是進入新物理學的後門,也可能是更好地理解早期宇宙是如何進化的。
今年2月,另一個研究小組在地中海深處探測到能量最高的中微子(由於其神秘的性質,也被稱為“幽靈粒子”),表明這些粒子可能是由物質和宇宙微波背景(宇宙中最古老的可見光)之間的相互作用發射出來的。
如果中微子的品質更大 —— 大約1電子伏特 ——KATRIN合作專案就能找到它的實際值。但由於粒子如此之小,可能需要一種新的改進的探測器 —— KATRIN ++ —— 來精確測量它的品質。