解码宇宙幽灵："8号项目"正在接近难以捉摸的中微子
站长云网8号项目是测量中微子质量的一个重要里程碑。中微子是一种难以捉摸的亚原子粒子，它可以毫不费力地穿过普通物质，在组成我们宇宙的粒子中扮演着重要角色。要完全解释我们的宇宙是如何形成的，我们需要知道它的质量。但是，就像我们中的许多人一样，它也在想方设法避免被称重。
2022年，KATRIN研究小组确定了中微子可能有多重的上限。这一里程碑式的成就是几十年来孜孜以求的。但这些成果只是缩小了搜索窗口。KATRIN将很快达到甚至有一天会超过其目标探测极限，但羽量级中微子可能更轻，这就引出了一个问题："下一步是什么？下一个是什么？"
这里看到的回旋加速器辐射发射光谱（CRES）是一种全新方法的关键，这种方法旨在确定难以捉摸的中微子的质量。资料来源：亚历克-林德曼，项目8小组
追踪幽灵粒子
在最新的研究中，"8号工程"团队在《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）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beta衰变的自然现象。当一种罕见的氢放射性变体--氚--衰变成三种亚原子粒子：氦离子、电子和中微子时，每次衰变都会释放出微量的能量。
项目8的最终成功取决于一项雄心勃勃的计划。研究小组并没有试图直接探测中微子--中微子可以毫不费力地穿过大多数探测器技术--而是采用了一种简单的测量策略，可以概括为以下几点：
爱因斯坦告诉我们，氚原子的总质量等于其各部分的能量。当我们测量由β衰变产生的自由电子时，我们知道了总质量，"缺少"的能量就是中微子的质量和运动。
能源部西北太平洋国家实验室8号项目的主要研究人员之一布伦特-范德文德（BrentVanDevender）说："原则上，随着技术的发展和规模的扩大，我们有可能达到确定中微子质量所需的范围。"
为什么是项目8？
这些研究人员之所以选择实施这一雄心勃勃的战略，是因为他们已经研究了其中的利弊，并得出结论认为这一战略是可行的。
塔莉娅-魏斯是耶鲁大学的核物理研究生。她和"项目8"的同事们花了数年时间研究如何从电子背景噪声中准确地分辨出电子信号。克里斯蒂娜-克莱森斯（ChristineClaessens）是华盛顿大学的一名博士后，她在德国美因茨大学获得了8号项目的博士学位。韦斯和克莱森斯进行了两项最终分析，首次对新技术得出的中微子质量进行了限制。
魏斯说："中微子轻得令人难以置信。它比电子轻50多万倍。因此，当中微子和电子同时产生时，中微子质量对电子运动的影响微乎其微。我们希望看到这种微小的影响。因此，我们需要一种超级精确的方法来测量电子的运动速度"。
8号项目依靠的正是这样一种技术，它是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（JoeFormaggio）和本-蒙雷亚尔（BenMonreal）构想出来的。一个国际团队围绕这一想法集结起来，成立了"8号项目"，将这一设想转化为实用工具。由此产生的方法被称为回旋加速器辐射发射光谱（CRES）。它捕捉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β衰变过程中释放的大部分能量，但并非全部。正是这些缺失的能量揭示了中微子的质量。这是首次利用CRES技术测量氚的β衰变，并对中微子质量设定上限。
科学家如何称量中微子的重量？图片来源：太平洋西北国家实验室SaraLevine制作的动画
创新方法与挑战
研究小组只对追踪这些电子感兴趣，因为它们的能量是揭示中微子质量的关键。虽然以前也使用过这种策略，但CRES探测器测量的电子能量至关重要，其扩展潜力超出了任何现有技术。而这种可扩展性正是"8号项目"与众不同之处。伊利斯-诺维茨基（EliseNovitski）是华盛顿大学的助理教授，领导了新发表的工作的许多方面。
诺维茨基说："没有人在做这件事。我们并不是采用现有的技术，试图对其进行一些调整。我们有点像在狂野的西部。"
在华盛顿大学西雅图分校进行的最新实验中，研究小组在一个豌豆大小的样品池中，在为期82天的试验窗口内跟踪了3770次氚beta衰变事件。样品池经低温冷却后置于一个磁场中，该磁场能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。
最重要的是，研究小组记录到的虚假信号或背景事件为零，不会被误认为是真实信号。这一点非常重要，因为即使是非常小的背景也会掩盖中微子质量信号，使有用信号的解读变得更加困难。
由PNNL实验物理学家诺亚-奥布莱思（NoahOblath）领导的"8号项目"的一部分研究人员还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，用于获取原始数据并将其转换为可以分析的信号。项目工程师们还戴上了修补帽，发明了各种部件，使项目8得以顺利完成。
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，这是一种外行的做法。实验物理学处于物理学和工程学的交界处。你必须让特别有冒险精神的工程师和有实践头脑的物理学家合作，让这些东西成为现实，因为这些东西不在教科书里。"
到达终点
既然研究小组已经证明了他们的设计和实验系统可以使用氚分子，那么他们面前还有一项紧迫的任务。整个团队中的一部分人正在进行下一步的工作：建立一个能够产生、冷却和捕获单个氚原子的系统。这一步非常棘手，因为氚和它更丰富的表亲氢一样，更喜欢形成分子。这些分子将使"8号工程"小组的最终目标无法实现。在美因茨大学物理学家的领导下，研究人员正在开发一个试验台，用复杂的磁铁阵列来制造和捕获原子氚，这样就可以防止原子氚接触样本细胞壁--因为原子氚几乎肯定会在细胞壁上恢复成分子形式。
这项技术的进步以及整个仪器的升级，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，由来自十个研究机构的成员组成的研究小组正在测试将实验从豌豆大小的样品室扩大到一千倍大的样品室的设计。这样做的目的是利用更大的监听装置捕捉更多的贝塔衰变事件--从豌豆大小到沙滩球大小。
"项目8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，"Oblath说。"这在以前从未有过。大多数实验都有50年或100年的历史，至少他们使用的探测技术是如此，而这确实是全新的。"
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