8号项目的研究人员采用了一种开创性的技术，回旋辐射发射光谱，在他们雄心勃勃的努力中确定了难以捉摸的中微子的质量，这对我们对宇宙的理解有潜在的影响。
不起眼的中微子是一种难以捉摸的亚原子粒子，可以毫不费力地穿过正常物质，在构成我们宇宙的粒子中扮演着巨大的角色。为了充分解释宇宙是如何形成的，我们需要知道它的质量。但是，就像我们很多人一样，它避免被称重。
现在，一个由来自美国和德国的研究人员组成的国际团队领导了一个名为“8号项目”的雄心勃勃的探索，他们报告说，他们独特的策略是第一个测量中微子质量的现实竞争者。一旦完全扩大规模，“8号计划”将有助于揭示中微子是如何影响我们所知的宇宙早期演化的。
2022年，KATRIN研究小组设定了中微子可能质量的上限。这一里程碑是一项历经数十年才取得的全能成就。但这些结果只是缩小了搜索窗口。KATRIN很快就会达到甚至有一天可能会超过它的目标探测极限，但轻如羽毛的中微子可能会更轻，这就引出了一个问题:“下一步是什么?”
如图所示，回旋辐射发射光谱(CRES)是一种全新方法的关键，它旨在确定难以捉摸的中微子的质量。来源:亚历克·林德曼，项目8团队
追踪幽灵粒子
在他们最近的研究中，Project 8团队在《物理评论快报》杂志上报告说，他们可以使用一种全新的技术来可靠地跟踪和记录一种叫做β衰变的自然现象。当氢的一种罕见的放射性变体——氚——衰变为三个亚原子粒子:氦离子、电子和中微子时，每次事件都会释放出少量的能量。
8号工程的最终成功取决于一个雄心勃勃的计划。研究小组没有尝试探测中微子——它可以毫不费力地通过大多数探测器技术——而是采用了一种简单的测量策略，可以总结如下:
我们知道氚原子的总质量等于它各部分的能量，这要归功于爱因斯坦。当我们测量由β衰变产生的自由电子时，我们知道总质量，“缺失”的能量是中微子的质量和运动。
“原则上，随着技术的发展和规模的扩大，我们有可能进入确定中微子质量所需的范围，”能源部西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory) 8号项目的主要研究员之一布伦特·范德文德(Brent VanDevender)说。
为什么是Project 8?
这些研究人员选择了一个雄心勃勃的策略，因为他们已经研究了利弊，并得出结论，这是可行的。
Talia Weiss是耶鲁大学的一名核物理研究生。她和她的“8号项目”的同事们花了数年时间研究如何从电子背景噪音中准确地梳理出电子信号。Christine Claessens是华盛顿大学的博士后，她在德国美因茨大学的Project 8项目中获得博士学位。Weiss和Claessens进行了最后的两项分析，首次对新技术得出的中微子质量进行了限制。
“中微子非常轻，”Weiss说。“它比电子轻50多万倍。所以，当中微子和电子同时产生时，中微子的质量对电子的运动只有很小的影响。我们希望看到小的效果。所以，我们需要一种超级精确的方法来测量电子的运动速度。”
“8号计划”正是依靠这样一种技术，一种十多年前由当时在麻省理工学院工作的物理学家乔·福马吉奥和本·蒙雷亚尔构想出来的技术。一个国际团队围绕这个想法团结起来，组成了Project 8，将这个愿景转化为一个实用的工具。由此产生的方法被称为回旋辐射发射光谱(CRES)。它捕获新生电子在磁场中旋转时发出的微波辐射。这些电子带走了衰变过程中释放的大部分能量，但不是全部。正是这些缺失的能量揭示了中微子的质量。这是第一次用CRES技术测量氚衰变，并确定了中微子质量的上限。
科学家如何称中微子的重量?图片来源:Sara Levine为太平洋西北国家实验室制作的动画
创新方法与挑战
研究小组之所以对追踪这些电子感兴趣，是因为它们的能量是揭示中微子质量的关键。虽然这种策略以前已经使用过，但CRES探测器测量的关键电子能量有可能超出任何现有技术的规模。正是这种可扩展性让Project 8与众不同。Elise Novitski是华盛顿大学的助理教授，她领导了这项新发表的工作的许多方面。
诺维茨基说:“没有其他人在做这件事。“我们不会采用现有的技术，并试图对其进行微调。我们有点像在狂野的西部。”
在西雅图华盛顿大学进行的最新实验中，研究小组在一个豌豆大小的样本细胞中追踪了3770个氚衰变事件，为期82天。样品电池被低温冷却，并放置在一个磁场中，该磁场可以长时间捕获新出现的电子，以便系统的记录天线记录微波信号。
至关重要的是，该团队没有记录到任何可能被误认为真实事件的虚假信号或背景事件。这一点很重要，因为即使是非常小的背景也会模糊中微子质量的信号，从而使有用信号的解释变得更加困难。
从啁啾到信号
由PNNL实验物理学家诺亚·奥布拉斯(Noah Oblath)领导的“8号项目”研究人员的一个子集，包括来自多个机构的其他十几名研究人员，也开发了一套专门的软件——每个软件都以各种昆虫的名字命名[1]——用于获取原始数据并将其转换为可分析的信号。项目工程师们已经开始着手发明各种各样的部件，把8号项目整合在一起。
诺维茨基说:“我们的工程师对这项工作至关重要。“从工程师的角度来看，这是显而易见的。实验物理是一门处于物理学和工程学边界的学科。你必须让特别有冒险精神的工程师和务实的物理学家合作，让这些东西成为现实，因为这些东西不在教科书中。”
到达终点线
现在，该团队已经展示了他们的设计和实验系统使用氚分子的工作原理，他们还有另一个紧迫的任务。整个团队的一部分人现在正在研究下一步:一个能够产生、冷却和捕获单个氚原子的系统。这一步很棘手，因为氚和它更丰富的表亲氢一样，更倾向于形成分子。这些分子会使8号项目团队的最终目标无法实现。由美因茨大学的物理学家领导的研究人员正在开发一个测试平台，用复杂的磁铁阵列来制造和捕获原子氚，这将使它甚至不会接触到样品细胞的壁，在那里它几乎肯定会恢复到分子形式。
这项技术的进步，以及整个设备的扩大，将是达到并最终超过KATRIN团队所达到的灵敏度的关键步骤。
目前，由来自10个研究机构的贡献成员组成的研究小组正在进行测试设计，以将实验从豌豆大小的样品室扩大到1000倍大的样品室。他们的想法是用更大的监听设备——从豌豆大小到沙滩球大小——捕捉更多的β衰变事件。
奥布拉斯说:“8号项目不仅是一个更大更好的CRES实验，它还是第一个CRES实验，也是第一个使用这种探测技术的实验。”“以前从来没有人这样做过。大多数实验都有50年或100年的历史，至少他们使用的检测技术是这样，而这是全新的。”
注:专门为“8号计划”工作的调查人员开发的软件套件包括Morpho, Locust, Katydid, Psyllid和Dragonfly。
参考文献:A. Ashtari Esfahani等人的“回旋辐射发射光谱中的氚β光谱测量和中微子质量极限”(项目8合作)，2024年9月6日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.102502
每个项目8小组调查员都为小组工作带来了互补的技能。完整的合作者名单可以在Project 8网站上找到。
项目8由美国能源部科学办公室、核物理办公室、国家科学基金会、德国研究基金会PRISMA+卓越集群以及所有合作机构的内部投资支持。
