幽靈粒子的最靈敏「體重秤」已上線

幽靈粒子的最靈敏「體重秤」已上線

來自專欄丹麥洗衣房之宇宙無限大97 人贊了文章

大家好，我是宇宙學研究員劉佳。

我最近的研究方向是利用宇宙的結構來學習中微子—— 一邊是人類能觀測到的最大尺度，一邊是看不見摸不著的微小基本粒子。這樣的聯繫著實奇妙。

但是我今天要從粒子物理的角度來介紹中微子，因為探測中微子質量的德國卡爾斯魯厄氚中微子實驗（The Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment，KATRIN）今年6月開始運行了，這讓很多人激動不已。我正好借用寫文章的機會，自己也學習KATRIN的實驗原理。

1. 奇怪的中微子

中微子是粒子物理標準模型中最奇怪的粒子。

首先，它不喜歡和其他粒子發生作用。

從1930年奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang E.Pauli）提出中微子理論，到1956年美國科學家克萊德·科溫（Clyde Cowan）和弗雷德里克·萊因斯（Frederick Reines）用實驗證實中微子的存在，之間隔了整整26年。花這麼長時間，不是因為人類不夠努力，而是因為中微子實在太難捕捉了。

自然界的四種基本力包括強核力、弱核力、電磁力、引力。中微子只通過弱核力和引力，與其他物質產生作用。

比方說在一個陽光燦爛的日子，你坐在海邊，來自太陽的光子打在你的手臂上。它們被吸收進皮膚，讓你產生「熱」的感覺。這個熟悉的過程源於電磁力，它對中微子毫無影響。同樣在太陽中產生的中微子可以毫不費力地穿過我們的皮膚——不要說人體了，它們連整個地球都不在乎，0.04秒就穿過去了！

1987年2月23日，在銀河系附近、距離我們17萬光年的大麥哲倫星系，一個恆星發生超新星爆炸，發射出10^58個（一百億億億億億億億！）中微子，其中10^43個抵達了地球。而在地球上，我們只勉強探測到了其中的25個——可見其探測之艱難。

其次，中微子非常非常輕，輕到人們很長時間都以為它沒有質量。在早期的粒子物理標準模型中，它們的質量就被標示為零。

直到2001年，加拿大薩德伯里中微子天文台（Sudbury Neutrino Observatory）發表測量結果，證實了太陽中微子振蕩。中微子有三味：電子中微子νe，μ中微子νμ，τ中微子ντ。太陽內部產生的都是電子中微子，它們在穿越太陽表層和日地間真空時產生「振蕩」（「變味」），在到達地球被探測到時，其中一部分已變為μ中微子或τ中微子。

中微子振蕩的存在，意味著中微子的質量不為零。因為只有中微子的三個不同的質量特徵態ν1，ν2，ν3和三個「味」特徵態νe，νμ，ντ互相混合，才能導致中微子振蕩的發生。

可惜，中微子振蕩實驗只能測量不同中微子之間的質量差，無法測量它們的絕對質量。不過這也是非常重要的信息——如果我們假設最輕的中微子質量為零，就可以用它們的質量差推算出總質量的最小值。

正是通過太陽中微子振蕩和大氣中微子振蕩數據（2015年諾貝爾物理獎），我們現在知道三個中微子的總重量必須大於0.06 eV。

太陽中微子振蕩數據確定了m12-m22，大氣中微子振蕩數據確定了|m32-m_22|，我們可以由此推導出三個中微子的總重量必須大於0.06 eV。然而，因為我們只知道m32-m_22的絕對差，而不知道其符號是正是負，因而有兩種方法來給三個質量排序——正排序（Normal Hierarchy，左）和逆排序（Inverted Hierarchy，右）。

2. 中微子有多重

除了弱核力，中微子也通過引力起作用。

地心引力對蘋果起作用，讓它從樹上掉下來砸到牛頓頭上。然而，因為中微子極其微小的質量和極高的動能，它們的引力作用在地球上可以忽略不計。只有在我們觀測整個宇宙時，才能看到中微子的作用——它們跟宇宙中其他>99%的物質（重子和冷暗物質）對著干。當其他物質因為引力互相吸引形成星系和星系團時，宇宙中微子則拒絕停下來，自由地在宇宙里穿梭，試圖「抹平」宇宙中的結構。

因此，通過測量中微子對宇宙結構的「削減」作用，我們可以推導出中微子的總質量。

冷暗物質和熱暗物質（宇宙中微子）對宇宙結構形成的影響。該圖為宇宙模擬數據，灰色深淺表示密度大小。冷暗物質更容易受引力影響，相互聚集並形成星系和星系團（顏色最深的地帶，左圖）。中微子因為極輕的質量和極高的動能，不容易相互聚集。如果宇宙中有過多的中微子，星系和星系團的數量會因此減少（右圖）。

最近，普朗克（Planck）太空望遠鏡的科學家們已經通過宇宙學觀測，對中微子的質量估出了上限——0.23 eV，這離之前提到的中微子振蕩實驗給出的下限0.06 eV已經不遠了。

相比之下，目前通過粒子物理實驗得到的中微子質量上限是2 eV（來自Troitsk和Mainz中微子實驗，PDG 2018），比起宇宙學差了上十倍。

我作為一名宇宙學研究員，對我們的領先地位甚是驕傲（雖然完全沒參與普朗克小組的數據分析……）。我甚至在最近的一篇關於宇宙中微子的論文中寫道：「宇宙學觀測很可能在粒子物理實驗之前確認中微子的質量。」

這句話引起了好些粒子物理學家的不滿，寫郵件向我抱怨。我開始以為他們只是發牢騷而已，不喜歡別人輕視他們的工作。我想，10倍的差距是擺在那裡的事實，沒什麼好爭辯的。直到研究中微子理論的朋友Marco Drewes花了時間給我解釋，我才知道他們的抱怨不是沒有緣由。

問題正出在宇宙學僅用了中微子的「引力」性質——

宇宙中微子來自宇宙初期（大爆炸後僅一秒！），它們的存在目前只是假設，並未被直接探測到。理論上來說，任何「非常輕」的來自宇宙初期的粒子，都可以產生普朗克觀測到的數據，不一定就是中微子（雖然非常非常大的可能就是中微子）。所以粒子物理學家一直對宇宙學給出的中微子質量範圍限制採取保留意見。

這也是為什麼即使宇宙學觀測遙遙領先，粒子物理學家們仍決定在地球上建造能直接通過「弱核力」探測中微子質量的實驗。這可以保證探測到的一定是中微子。

3. KATRIN登場

而KATRIN就是粒子探測中目前靈敏度最高的實驗。它試圖通過觀測β衰變來尋找答案。

β衰變是弱核力作用的結果，在這個過程中，一個中子衰變成三個粒子：質子、電子、反中微子（n → p + e +νe）。中微子能量無法直接測量，但通過電子能譜，可以反推出它帶走的能量。根據能量守恆定理，電子的能量等於中子和質子的能量差，再減去中微子帶走的能量（Ee = En - Ep - Eν）。在中微子動能為零時，帶走的能量最低，等於它本身的靜止質量（牢記E=mc^2，能量＝質量x光速平方，質量就是能量！）。

也就是說，如果我們可以精確測量到電子能譜高能的「終點」，就可以推算出中微子的質量。

因為我們最關心的僅是能譜「終點」，所以我們只對最高能的那些電子有興趣。能進入上圖灰色小三角的電子少之又少，十萬億個電子里才有一個。

這無異于海底撈針！

因此，KATRIN以及它的前輩（Troitsk和Mainz實驗）都選用了氚作為探測材料。氚（拼音：chuān）又稱超重氫，原子核由一個質子和兩個中子組成，比普通的氫原子多出兩個中子。

氚的好處在於，它的原子核結構簡單，所以計算其理論電子能譜比較精確；另外它的β衰變率很高，只需要少量的氚就可以得到相對大量的中微子。

上圖是KATRIN實驗的分解圖。儀器的總長大約70米，分為五大部分：

1. 氚源（Tritium source）：氣態氚被儲藏在這裡，並以每秒10^11次的速率發生β衰變；
2. 運輸部分（Transport section）：電子被單獨分開來，其他「無用的」粒子（氚分子、氦分子）被淘汰；
3. 前能譜儀（Pre spectrometer）：小於18.3 keV的低能電子，因為對實驗結果沒什麼用，被淘汰掉，只有10億分之一的電子能進入下一階段；
4. 主能譜儀（Spectrometer）：剩下的高能電子被輸送進高能磁場。受到電磁效應，不同能量的電子的路徑被彎曲到不同方向。
5. 探測儀（Detector）：最終，篩選後的電子和它們的能量被記錄下來。

KATRIN實驗中最重要的一環是它的主能譜儀，通過它才能精確記錄下每個電子的能量。

因為能譜儀的巨大體積，它被造完後，運輸成了一大難題。從製造地代根多夫（Deggendorf）到卡爾斯魯厄實驗室，直線距離不過400公里，但是因為之間的道路不夠寬，運輸儀器的卡車根本開不上去，只能走水路。於是載著儀器的船從多瑙河開進黑海、途徑愛琴海、地中海、大西洋，最後進入萊茵河。總共走了9000公里，用了8個月。

所幸，能譜儀順利運達實驗室，並已經通過冗長的前期測試。KATRIN已經於今年6月11日正式開始運行，並預計在三年內達到0.2 eV的靈敏度。

最後，說了這麼一堆，科學家們為什麼對中微子質量那麼痴迷，要花這麼大功夫建KATRIN實驗？

如果你把中微子和其它基本費米子（自旋為1/2的倍數的粒子）的質量放到一張圖上，你會發現中微子的質量遠遠小於其他費米子。

這讓人很困惑：如果這些費米子的質量都是用同一種方法產生的，為什麼中微子就那麼不同？

一旦我們探測到中微子的質量，便可以為理論物理打開一扇窗，甚至可能顛覆我們以往對物理世界的認知。

［完］

後註：原文發表於「賽先生」，編輯：金庄維，弛木。

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