中微子的质量之谜
中微子是一种基本粒子，它不带电荷。这种粒子几乎不会与物质发生相互作用，能够轻易地穿过我们的身体，甚至能够穿过整个地球。正因如此，中微子常被称作“幽灵粒子”。
中微子存在三种“味”，分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们在飞行过程中能够发生转变，而这种现象被称作中微子振荡。
相对论表明，只有无质量的粒子才能够以光速进行传播。对于以光速运动的粒子来说，时间是“静止”的，所以不可能发生转变。而振荡意味着中微子的状态发生了变化，这就说明中微子必须具有质量。然而，物理学家并不清楚中微子确切的质量到底是多少。
现在，有一项研究发表于《科学》杂志。该研究表明：卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）进行了精准的测量。通过这些测量，将中微子的质量上限进一步缩减到了 0.45eV（电子伏特）。这个数值大约是电子质量（511000eV）的百万分之一。
β衰变
KATRIN 的实验目标是要捕捉中微子留下的线索，这需要通过极其精密的实验装置来实现，通过这样的方式能够测定中微子的质量。这类探索可以追溯到 20 世纪初的一个重要物理现象，那就是β衰变。
1900 年，物理学家发现某些原子核在β衰变过程中会释放出电子，并且会转化为其他元素。然而，这些电子的能量并非是固定不变的。为了对这种能量的“缺口”进行解释，理论物理学家泡利（Wolfgang Pauli）在 1930 年提出，或许还存在着一种无法被看见的粒子，它会随着电子一同被释放出来，同时带走一部分能量。
几年后，恩里科·费米将这种粒子命名为“中微子”。他指出，对于特定的原子核而言，电子的最大能量能够有助于揭示中微子的质量。
KATRIN如何称重中微子？
20 世纪 40 年代开始，物理学家就尝试借助氚的β衰变去研究中微子的质量。氚是一种放射性氢同位素，它的原子核由一个质子和两个中子构成。在衰变这个过程里，会释放出一个电子以及一个反中微子，并且这个反中微子与中微子质量相同。
KATRIN 是依据这一过程而设计的精密实验。其核心部分是一台重达 200 吨的金属装置，其中包含一根充满气态氚的长管，此长管用于产生大量的衰变事件。
在实验里，衰变所释放出的反中微子会径直穿过装置然后消失不见。同时，电子在强度达到地球磁场 5 万倍的磁场中进行螺旋运动，并且被引导进入一个长 23 米、宽 10 米的金属腔体。
随后，腔体施加的电场能够阻止电子的运动。通过这种方式，低能电子会被拦截掉。只有能量最高的电子才可以抵达探测器。在每秒大约 1000 亿个电子当中，只有极少的一部分能够成功穿越并且被探测器捕捉到。
研究人员不断调整电场强度，同时记录成功穿越的电子数量，这样就能重建电子的能谱高端，进而从中推算出中微子的质量上限。
2022 年，KATRIN 报告了将中微子质量上限压缩到 0.8eV 这一情况。现在，该团队对在 259 个测量日中所收集的 3600 万个电子事件进行了分析。通过此次分析，他们将中微子质量上限进一步降低为 0.45eV，这个上限几乎削减了一半。
这也是目前为止实验室直接测量中微子质量的最精确结果。
更低的宇宙学上限
值得一提的是，上个月在美国物理学会的全球物理峰会上，有研究人员报告称，利用暗能量光谱仪（DESI）所收集的数据，把三种中微子的质量总和限制在了 0.064eV 以下。这一数值远低于 KATRIN 给出的数值。
那么，这是否就表示 KATRIN 的实验是“没必要”的呢？答案是否定的。
首先，DESI 的数据给出的质量上限，与中微子振荡所设定的理论下限（即 0.058eV）十分接近。其次，值得特别注意的是，DESI 的最佳拟合值竟然是一个负值，而这个负值在物理上是没有意义的结果。
这一异常结果表明目前主流的标准宇宙学模型（ΛCDM 模型）或许存在不完善之处。ΛCDM 模型认为暗能量是真空的一种固有属性，也就是所谓的“宇宙学常数”。然而，倘若 DESI 的研究人员将暗能量模拟为随着时间的推移而逐渐减弱，那么他们对中微子质量总和的估计就会更加合理，也就不会再出现“负质量”这种奇异的结果。
KATRIN的未来
这样的局面使 KATRIN 实验变得更加珍贵。KATRIN 是一个能够直接测量中微子质量的实验项目，它或许可以指导宇宙学家去寻找更好的模型。
它的潜力尚未触及上限。目前，研究团队正在持续收集数据，并且计划在今年晚些时候完成全部数据收集。研究人员表示，他们期望到那时，在完成累计达 1000 个测量日的数据分析后，能够将中微子的质量上限进一步压缩到 0.3eV 甚至 0.2eV。而在那之后，最终结果的灵敏度将提高约 50%。
