中微子可以說是我們宇宙中最迷人的基本粒子。在宇宙學中，它們在大尺度結構的形成中發揮著重要作用，而在粒子物理學中，它們微小但非零的質量又讓它們與眾不同。如果不對中微子的質量尺度進行測量，我們對宇宙的理解將仍是不完整的。

這就是卡爾斯魯厄理工學院(KIT)跟來自六個國家的合作夥伴進行的國際卡爾斯魯厄氚中微子(KATRIN)實驗的挑戰，它是世界上最敏感的中微子尺度。它利用了氚（一種不穩定的氫同位素）的β衰變，通過衰變過程中釋放的電子的能量分佈來確定中微子的質量。這需要一項重大的技術努力：這個70米長的實驗包含了世界上最強烈的氚源及一個巨大的光譜儀，以前所未有的精度測量衰變電子的能量。

2019年開始科學測量後的高質量數據在過去兩年中不斷得到改善。“KATRIN是一個具有最高技術要求的實驗，現在正像完美的鐘錶一樣運行”，項目負責人、該實驗的兩位聯合發言人之一Guido Drexlin興奮地說道。另一位共同發言人Christian Weinheimer則補充稱：“信號率的提高和背景率的降低對新的結果具有決定性意義。”

數據分析

對這些數據的深入分析對由兩位協調員Susanne Mertens（馬克斯-普朗克物理研究所和慕尼黑大學）和Magnus Schlösser(KIT)領導的國際分析小組提出了很高的要求。每一個影響–無論多麼微小–都必須進行詳細的調查。“只有通過這種費力而復雜的方法，我們才能排除由於扭曲過程而導致的系統性偏差。我們為我們的分析團隊感到特別自豪，他們以極大的決心成功地接受了這一巨大的挑戰，”這兩位分析協調員高興地報告道。

第一年測量的實驗數據和基於極小的中微子質量的建模完全吻合：由此可以確定中微子質量的新上限為0.8eV。這是直接中微子質量實驗首次進入宇宙學和粒子物理學上重要的亞eV質量範圍，懷疑中微子的基本質量尺度就在這個範圍內。中微子專家John Wilkerson評論稱：“粒子物理學界對KATRIN打破1-eV的障礙感到興奮。”

Suanne Mertens解釋了創造新紀錄的路徑。“我們在慕尼黑MPP的團隊為KATRIN開發了一種新的分析方法，專門針對這種高精度測量的要求進行優化。這一策略已成功用於過去和現在的結果。我的小組有著很強的動力。我們將繼續以新的創造性想法和一絲不苟的準確性來迎接KATRIN分析的未來挑戰。”

進一步的測量應提高靈敏度

KATRIN的聯合發言人和分析協調人對未來非常樂觀。“對中微子質量的進一步測量將持續到2024年底。為了充分實現這一獨特實驗的潛力，我們不僅將穩步提高信號事件的統計量還在不斷開發和安裝改進以進一步降低背景率。”

一個新的探測器系統(TRISTAN)的開發在其中發揮了具體的作用，這使得KATRIN從2025年開始著手尋找質量在千電子伏特範圍內的“無菌”中微子，這是宇宙中神秘的暗物質的候選者，已經在許多天體物理學和宇宙學觀測中表現出來，但其粒子物理性質仍未知。