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?用频率测量中微子质量上限

2023-09-07 17:29     来源:物理研究更新 大锅天眼      中微子核物理粒子物理
中微子是一种非常轻的基本粒子,它几乎不与其他物质相互作用。它们是宇宙中最多的粒子之一,但我们却很难探测到它们。事实上,我们甚至不知道它们的确切质量是多少。我们只能给出一个上限,也就是说,中微子的质量一定小于某个值。

那么,为什么我们要知道中微子的质量呢?因为它对物理学有很大的意义。中微子的质量会影响宇宙的结构和演化,以及核反应和粒子衰变的过程。所以,我们怎么才能测量中微子的质量呢?有一个方法是利用一种叫做氚衰变的现象。氚是一种放射性同位素,它有一个质子和两个中子。

它会发生β衰变,并释放一些能量。既然这个反应释放了一些能量,那么我们就可以用能量守恒来计算出中微子的质量吧?不幸的是,并不是那么简单,因为这个反应并不是唯一的。实际上,氚衰变有很多种可能的方式,每一种方式都会给出不同的电子和中微子的能量。

这些能量是连续分布的,从零到一个最大值之间的任何值都有可能出现,这个最大值叫做终点能量。如果中微子没有质量,那么终点能量就等于氚原子核和氦-3原子核之间的质量差乘以c²。

如果中微子有质量,那么终点能量就要减去中微子的静止能量mc²。那么,我们怎么才能测量终点能量呢?一种方法是用一个叫做谱仪的仪器,它可以测量出电子的动能。如果我们有足够多的氚原子核衰变,那么我们就可以得到一个电子能谱,也就是说电子能量的分布图。

这个图会有一个尖锐的下降,就在终点能量附近。如果我们能够精确地确定这个下降的位置,那么我们就可以计算出中微子的质量上限。但是,这种方法有一个问题,那就是背景噪声。背景噪声是指一些不相关的信号,它们会干扰我们的测量。比如说,一些其他的放射性物质,或者一些宇宙射线,或者一些仪器的误差,都会产生一些额外的电子,它们会让我们的能谱变得模糊不清。这就会影响我们对终点能量的判断,从而影响我们对中微子质量的估计。那么,有没有一种方法可以避免背景噪声呢?答案是有的,这就是最近一篇新论文提出的一种新颖的技术,叫做回旋辐射发射光谱。这种技术不是用能量来测量电子,而是用频率来测量电子。

你可能会问,频率和电子有什么关系呢?你可能知道,当一个带电粒子在一个磁场中运动时,它会受到一个洛伦兹力,这个力会让它做圆周运动。这个圆周运动的半径叫做回旋半径,回旋半径和粒子的动能、电荷和磁场强度有关。回旋半径越小,说明粒子的动能越大,反之亦然。那么,回旋半径和频率有什么关系呢?原来,当一个带电粒子在一个磁场中做圆周运动时,它会发出一种叫做回旋辐射的电磁波。这种电磁波的频率和粒子的回旋频率一样,粒子每转一圈就发出一个波峰。回旋频率和粒子的电荷、质量和磁场强度有关。

回旋频率越高,说明粒子的质量越小,反之亦然。现在,你可能已经明白了。如果我们能够测量出氚衰变产生的电子的回旋频率,那么我们就可以计算出它们的动能,从而得到电子能谱。而且,这种方法不会受到背景噪声的影响,因为背景噪声不会改变电子的回旋频率。这就是回旋辐射发射光谱技术的原理。

那么,我们怎么才能测量出电子的回旋频率呢?研究团队使用了一个叫做微波谐振腔的装置,它可以放大和检测电子发出的回旋辐射。他们还使用了一个叫做超导量子干涉器的传感器,它可以测量微波谐振腔中的微弱信号。他们还使用了一个叫做相位锁定环的电路,它可以跟踪和记录电子的回旋频率变化。

他们还使用了一个叫做磁场扫描的方法,它可以改变磁场强度,从而改变电子的回旋频率范围。通过这些技术,他们成功地测量出了氚衰变产生的电子的回旋频率,并得到了一个清晰而精确的电子能谱。根据这个能谱,他们对终点能量进行了拟合,并得到了一个值。根据这个值,他们对中微子质量上限进行了计算,并得到了一个值为0.8eV。

这个值比以前的实验结果都要小,也就是说,他们给出了一个更严格的限制。他们还计划在未来进行更多的实验,以期达到0.2 eV的灵敏度。



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