卡爾斯魯厄氚微中子實驗

卡爾斯魯厄氚微中子實驗（英語：Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment，簡稱KATRIN）是一項通過觀測氚的β衰變發射的電子能譜，以亞電子伏特精度測量反電微中子質量的實驗。實驗設施位於德國巴登-符騰堡州卡爾斯魯厄，由卡爾斯魯厄理工學院主導^[1][2]。

將主能譜儀運送至卡爾斯魯厄理工學院時的照片

2022年2月，KATRIN實驗組宣布，在90%置信水平下測得的反電微中子質量上限為0.8 eV^[3][4]。

建設過程

KATRIN光束線及其主要部件的示意圖^[3]

KATRIN的主能譜儀由MAN DWE GmbH公司（德語：MAN DWE）於德國代根多夫建造。該建造地點距KATRIN的預計建設地卡爾斯魯厄約350千米遠。受限於主能譜儀的大小，它無法通過距離較近的陸路運輸，而是只能通過在海上繞一大圈的方法運送到卡爾斯魯厄。2006年，主能譜儀通過船隻經多瑙河被運至黑海，在途經地中海和大西洋後，從萊茵河重新進入德國境內。在經過約8600千米的海路運輸後，主能譜儀從埃根施泰因-萊奧波爾茨港出發，經由僅7公里長的陸路於2006年11月29日被成功運輸到了卡爾斯魯厄^[5]。

2015年，主能譜儀在KATRIN實驗場地內完成了調試^[6]。KATRIN於2016年10月開始運行測試^[7]。在經歷了近2年的測試運行後，落成典禮於2018年6月11日舉行^[8]。當時預計的實驗持續時間為5年。第一次具有科研意義的觀測於2019年4月10日進行^[9]。

原理

氚的β衰變發射的電子能譜
圖中顯示了微中子質量上限處於不同情況下的能譜。這些能譜僅在末端附近的範圍內有所不同，與橫坐標的交點取決於微中子質量。KATRIN實驗通過高精度測量末端周圍的能譜以決定微中子質量上限。

氚的β衰變是能量最低的β衰變之一，在該過程中釋放出的電子和微中子僅能持有總和為18.6 keV的能量。KATRIN實驗旨在產生一個非常精確的電子發射光譜，其能量非常接近於總能量（只有數eV的差別）。這意味著，微中子攜帶的能量將非常小。如果微中子是無質量粒子，則微中子可以攜帶的能量沒有下限，因此電子能譜可以一直延伸到18.6 keV的極限。然而，如果微中子具有質量，根據質能等價，它必須總是帶走至少相當於其質量的能量。這將導致電子能譜的末端必須低於總能量極限，與微中子是無質量粒子的情況相比具有不同的形狀。

在絕大多數β衰變過程中，電子和微中子帶走的能量大致相等。然而，KATRIN實驗感興趣的事件非常罕見，其中電子幾乎帶走了所有的能量。這種罕見的事件基本只會在1萬億次事件中出現1次。為了使探測器在不需要觀測巨量的β衰變事件的前提下過濾掉常見事件，電子在KATRIN實驗中需要通過一個比總能量限制低幾eV的電位，使得所有低於該閾值的電子不會進入觀測區域內^[10]。

實驗結果

與KATRIN首個實驗結果相關的論文於2019年12月發表在物理評論快報上。實驗組通過2019年4月10日至5月13日進行的實驗結果，得出在90%置信水平下反電微中子的質量上限為1.1 eV的結論^[9][11][12]。

2022年2月，KATRIN實驗組更新了結論，認為在90%置信水平下測得的反電微中子質量上限為0.8 eV^[3][4]。

參見

• KATRIN實驗官方網站 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）