中微子是宇宙中最神秘的粒子之一。它们无处不在，却极少与物质发生相互作用。在宇宙学中，它们影响着大尺度星系结构的形成；而在粒子物理学中，它们微小的质量可以指示此前未知的物理过程。因此，精确测量中微子质量对于全面理解自然界的基本规律至关重要。这正是KATRIN实验及其国际合作伙伴发挥作用的地方。KATRIN利用氚（一种不稳定的氢同位素）的β衰变来评估中微子的质量。衰变产生的电子能量分布使我们能够直接通过运动学方法测定中微子的质量。该研究成果发表在《科学》杂志上。实现这一目标需要极其先进的技术组件：70米长的光束线包含一个强氚源，以及一个直径10米的高分辨率光谱仪。这项尖端技术使直接中微子质量测量达到了前所未有的精度。根据KATRIN实验的现有数据，可以推导出中微子质量的上限为0.45电子伏/平方厘米（相当于8 x 10-37千克）。与2022年的结果相比，上限几乎可以降低一半。数据评估自 2019 年开始测量以来，首批数据集的质量稳步提高。“为了得到这一结果，我们分析了 5 次测量活动，从 2019 年到 2021 年总共收集了大约 250 天的数据，约占 KATRIN 预期总数据的 25%”，该实验的两位联合发言人之一 Kathrin Valerius (KIT) 解释道。Susanne Mertens（马克斯普朗克核物理研究所（MPIK）和慕尼黑工业大学（TUM））补充道：“通过每次活动，我们都获得了新的见解并进一步优化了实验条件。”对极其复杂的数据的评估提出了巨大的挑战，需要国际数据分析团队达到最高的精度。“KATRIN 数据的分析要求极高，因为它需要达到前所未有的精度水平，”联合分析协调员 Alexey Lokhov（卡尔斯鲁厄理工学院）强调道。联合分析协调员 Christoph Wiesinger（慕尼黑工业大学/慕尼黑工业大学）补充道：“我们需要采用最先进的分析方法，其中人工智能将发挥关键作用。”未来测量的展望研究人员表示：“我们对中微子质量的测量将持续到2025年底。通过不断改进实验和分析，以及扩大数据集，我们预计灵敏度会更高，甚至可能带来突破性的新发现。”KATRIN团队说道。KATRIN 已在全球直接中微子质量测量领域处于领先地位，其初始数据已超越先前实验结果四倍。最新发现表明，中微子至少比电子（最轻的带电基本粒子）轻一百万倍。解释这一巨大的质量差异仍然是理论粒子物理学的一个根本挑战。除了精确测量中微子质量外，KATRIN 已开始规划下一阶段工作。从 2026 年开始，将安装一套新的探测器系统 TRISTAN。此次实验的升级将有助于寻找一种假设的惰性粒子，其相互作用比已知的中微子更弱。惰性中微子的质量在keV/c²范围内，是暗物质的潜在候选者。此外，KATRIN++将启动一项研发项目，旨在设计下一代实验的概念，以实现更精确的直接中微子质量测量。摘要：中微子是宇宙中最神秘的粒子之一。它们无处不在，却极少与物质发生相互作用。在宇宙学中，它们影响着大尺度星系结构的形成；而在粒子物理学中，它们微小的质量可以指示此前未知的物理过程。因此，精确测量中微子质量对于全面理解自然界的基本规律至关重要。这正是KATRIN实验
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