幽靈粒子搜尋未果：中微子實驗未發現難以捉摸的"惰性中微子"蹤跡

雖然找到輕惰性中微子的近期前景已相當黯淡，但搜尋工作尚未結束。

卡爾斯魯厄氚中微子實驗為惰性中微子的研究帶來了新的見解。中微子非常奇特。盡管每秒有數十億個源自宇宙事件或核反應的中微子穿過你的身體，但它們幾乎不留任何可觀測的痕跡。粒子物理學的標準模型識別出三種類型的中微子：電子中微子、繆中微子和陶中微子。觀測到這些粒子在傳播過程中可以"振蕩"或改變身份，證明了它們必須具有質量——這一發現曾獲得了諾貝爾獎。

但一個長期存在的謎題一直困擾著科學家。來自核反應堆和特定源的中微子測量數據中存在微小且無法解釋的不足，暗示著可能有更多發現。是否存在第四種"惰性中微子"，其相互作用甚至比它那些本已"害羞"的"表親"更少？這樣的發現將改寫物理學教科書，甚至可能解釋將星系束縛在一起的神秘暗物質。

KATRIN實驗通過測量氚β衰變產生的電子的能譜，對惰性中微子進行了"最精確的直接搜尋"。如果存在惰性中微子，會在該能譜中產生一個明顯的"扭結"。

KATRIN最靈敏的數據

KATRIN實驗位于德國卡爾斯魯厄理工學院，是一個長達70米、用于高精度粒子物理研究的大型設施。其運行原理是：使用高亮度氣態氚源通過β衰變產生電子，利用高分辨率光譜儀測量電子能量，并使用探測器進行計數。自2019年以來，KATRIN一直在測量氚β衰變能譜，專門尋找能表明存在第四種、更重的惰性中微子發射的特征性畸變或扭結。

馬克斯·普朗克核物理研究所的團隊在2019年至2021年的259天里，記錄了3600萬個電子。這項工作代表了迄今為止利用氚β衰變搜尋惰性中微子最靈敏的嘗試。其測量精度優于百分之一，獲得了極為干凈的測量結果，基本消除了背景噪聲。然而，結果顯示沒有惰性中微子的蹤跡。

這一確鑿的"未發現"結果直接與此前的跡象相矛盾，并完全反駁了諸如Neutrino-4等實驗聲稱觀測到此類信號的結論。領導這項分析的海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的蒂埃里·拉塞爾表示："我們的新結果與STEREO等反應堆實驗的結果完全互補。反應堆實驗對幾eV2以下的惰性-活性中微子質量平方差最敏感，而KATRIN探索的是從幾eV2到幾百eV2的范圍。這兩種方法現在一致排除了會與已知中微子類型發生顯著混合的輕惰性中微子。"

對這類神秘粒子的搜尋仍在繼續

雖然找到輕惰性中微子的近期前景已相當黯淡，但搜尋工作尚未結束。KATRIN聯合發言人卡瑟琳·瓦萊里烏斯表示："到2025年數據采集完成時，KATRIN將在相關能區記錄超過2.2億個電子，統計量將提高六倍以上。這將使我們能夠突破現有精度極限，探測低于當前限制的混合角。"

2026年，一項名為TRISTAN的重大升級將改造KATRIN。這臺下一代探測器將直接測量完整的氚β衰變能譜，為探測更高質量范圍的惰性中微子（甚至可能是難以捉摸的千電子伏質量范圍，這些粒子或許能解釋宇宙暗物質）打開新的窗口。

因此，盡管目前的搜尋尚無結果，這些"幽靈粒子"的獵手們并未放棄，并已為下一步做好準備

這項研究于12月3日發表在《自然》雜志上。

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