物理界等了几十年,终于有了结果,中微子的质量上限,再次减半

老胡懂点星 2025-04-11 15:00:54

德国人又一次,把“看不见”的东西“掂”出了重量。

卡尔斯鲁厄理工学院的KATRIN实验,刚刚宣布了一个看起来微不足道、但物理界等了几十年的结果:中微子的质量上限,再次被削减了一半,从0.8电子伏降到0.45电子伏。

中微子,自1930年被泡利假设存在以来,就一直在和人类玩捉迷藏。它们没有电荷,几乎不与任何物质发生相互作用。你现在读这段文字的同时,有数十万亿个中微子正穿过你的身体,你感觉不到,它们也不会停下来打声招呼。

问题是,它们真的有质量,而且,这个质量的存在,牵动整个宇宙结构的神经。

一个看不见、摸不到、测不准的粒子,却是宇宙中数量最多的基本粒子。每一个原子,对应着10亿个中微子。这是宇宙底层操作系统的主线程。

KATRIN用的是老方法——衰变谱末端测量。但设备完全不是老一套。70米长的装置,200吨的主谱仪,真空中追踪电子在氚衰变中获得的能量。这场实验从2019年开始,截至目前,他们已经测了3600万个电子,为的就是从电子的能量中,反推中微子的“暗影”。

原理很简单。氚衰变释放出一个电子和一个中微子。两者共享衰变能量。如果中微子有质量,它就必须“带走”一部分能量。电子能量谱末端的细微变化,就成了物理学家盯了几十年的关键。

但真正做起来,极其困难。

这一次,他们更进一步。用了3600万个电子,下一步是2.5亿个,这是为了把误差压到毫电子伏的量级。如果结果依然没有发现质量痕迹,那么结论就是:中微子的质量小于0.3电子伏。

那将是新的世界极限。

这还只是第一阶段。KATRIN已经在筹备TRISTAN计划,一个更激进的尝试目标:寻找“隐身版”的中微子——假设存在的“惰性中微子”或“惰性态”。这种粒子连弱相互作用都不参与,等于完美隐身。但它们可能有较大质量,是暗物质的备选候选。

一旦发现,它将直接改变对宇宙能量分布的理解。

中微子质量虽小,却和宇宙的膨胀历史直接相关。它影响宇宙微波背景中的各向异性,影响星系形成的模式,也进入了当前解释暗能量模型中的参数化框架。

简单说:这个几乎不互动的粒子,决定了宇宙长什么样。

早在上世纪,天文学家就发现在不引入中微子质量的模型中,模拟出的宇宙大尺度结构和实际观测数据不匹配。中微子的质量越大,它在早期宇宙中“拖后腿”的程度越强,影响星系团聚集和引力塌缩的节奏。

这就是为什么一个电子伏以下的粒子,成为欧、美、日联合投入上亿美元做实验的理由。

KATRIN不是唯一战场。中国江门中微子实验(JUNO)、意大利的Borexino、美国的Project 8都在从不同侧面围堵这个粒子。测量方式不同,逻辑一致:找到它的质量,不是为了量它,而是为了解宇宙。

目前最有力的限制来自KATRIN——但它是个“负结果”。而是进一步收紧了可能存在的质量上限。

在物理学中,“什么都没发现”的实验,有时比发现更重要。

它划定了科学的边界。告诉我们,不要在错误的方向继续下注。

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老胡懂点星

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