8 號項目是測量中微子質量的一個重要里程碑。中微子是一種難以捉摸的亞原子粒子，它可以毫不費力地穿過普通物質，在組成我們宇宙的粒子中扮演著重要角色。要完全解釋我們的宇宙是如何形成的，我們需要知道它的質量。但是，就像我們中的許多人一樣，它也在想方設法避免被稱重。

現在，一個由來自美國和德國的研究人員組成的國際團隊領導著一項名為”8 號項目”的雄心勃勃的探索，他們報告說，他們與眾不同的戰略是第一個測量中微子質量的現實競爭者。一旦規模完全擴大，”項目8″將有助於揭示中微子如何影響我們所知的宇宙的早期演化。

2022 年，KATRIN 研究小組確定了中微子可能有多重的上限。這一里程碑式的成就是幾十年來孜孜以求的。但這些成果只是縮小了搜索窗口。KATRIN 將很快達到甚至有一天會超過其目標探測極限，但羽量級中微子可能更輕，這就引出了一個問題：”下一步是什麼？下一個是什麼？”

這裡看到的迴旋加速器輻射發射光譜（CRES）是一種全新方法的關鍵，這種方法旨在確定難以捉摸的中微子的質量。資料來源：亞歷克-林德曼，項目8 小組

追踪幽靈粒子

在最新的研究中，”8 號工程”團隊在《物理評論快報》（Physical Review Letters）雜誌上報告說，他們可以使用一種全新的技術來可靠地跟踪和記錄一種叫做beta衰變的自然現象。當一種罕見的氫放射性變體–氚–衰變成三種亞原子粒子：氦離子、電子和中微子時，每次衰變都會釋放出微量的能量。

項目8 的最終成功取決於一項雄心勃勃的計劃。研究小組並沒有試圖直接探測中微子–中微子可以毫不費力地穿過大多數探測器技術–而是採用了一種簡單的測量策略，可以概括為以下幾點：

愛因斯坦告訴我們，氚原子的總質量等於其各部分的能量。當我們測量由β衰變產生的自由電子時，我們知道了總質量，”缺少”的能量就是中微子的質量和運動。

能源部西北太平洋國家實驗室8 號項目的主要研究人員之一布倫特-范德文德（Brent VanDevender）說：”原則上，隨著技術的發展和規模的擴大，我們有可能達到確定中微子質量所需的範圍。”

為什麼是項目8？

這些研究人員之所以選擇實施這一雄心勃勃的戰略，是因為他們已經研究了其中的利弊，並得出結論認為這一戰略是可行的。

塔莉婭-魏斯是耶魯大學的核物理研究生。她和”項目8″的同事們花了數年時間研究如何從電子背景噪聲中準確地分辨出電子信號。克里斯蒂娜-克萊森斯（Christine Claessens）是華盛頓大學的一名博士後，她在德國美因茨大學獲得了8 號項目的博士學位。韋斯和克萊森斯進行了兩項最終分析，首次對新技術得出的中微子質量進行了限制。

魏斯說：”中微子輕得令人難以置信。它比電子輕50 多萬倍。因此，當中微子和電子同時產生時，中微子質量對電子運動的影響微乎其微。我們希望看到這種微小的影響。因此，我們需要一種超級精確的方法來測量電子的運動速度”。

8 號項目依靠的正是這樣一種技術，它是十多年前由當時在麻省理工學院工作的物理學家喬-福馬吉奧（Joe Formaggio）和本-蒙雷亞爾（Ben Monreal ）構想出來的。一個國際團隊圍繞這一想法集結起來，成立了”8 號項目”，將這一設想轉化為實用工具。由此產生的方法被稱為迴旋加速器輻射發射光譜（CRES）。它捕捉新生電子在磁場中旋轉時發出的微波輻射。這些電子帶走了β衰變過程中釋放的大部分能量，但並非全部。正是這些缺失的能量揭示了中微子的質量。這是首次利用CRES 技術測量氚的β衰變，並對中微子質量設定上限。

科學家如何稱量中微子的重量？圖片來源：太平洋西北國家實驗室Sara Levine 製作的動畫

創新方法與挑戰

研究小組只對追踪這些電子感興趣，因為它們的能量是揭示中微子質量的關鍵。雖然以前也使用過這種策略，但CRES 探測器測量的電子能量至關重要，其擴展潛力超出了任何現有技術。而這種可擴展性正是”8 號項目”與眾不同之處。伊利斯-諾維茨基（Elise Novitski）是華盛頓大學的助理教授，領導了新發表的工作的許多方面。

諾維茨基說：”沒有人在做這件事。我們並不是採用現有的技術，試圖對其進行一些調整。我們有點像在狂野的西部。”

在華盛頓大學西雅圖分校進行的最新實驗中，研究小組在一個豌豆大小的樣品池中，在為期82 天的試驗窗口內跟踪了3770 次氚beta 衰變事件。樣品池經低溫冷卻後置於一個磁場中，該磁場能長時間捕獲新出現的電子，以便系統的記錄天線記錄微波信號。

最重要的是，研究小組記錄到的虛假信號或背景事件為零，不會被誤認為是真實信號。這一點非常重要，因為即使是非常小的背景也會掩蓋中微子質量信號，使有用信號的解讀變得更加困難。

由PNNL 實驗物理學家諾亞-奧布萊思（Noah Oblath）領導的”8 號項目”的一部分研究人員還開發了一套專門的軟件–每個軟件都以各種昆蟲的名字命名，用於獲取原始數據並將其轉換為可以分析的信號。項目工程師們還戴上了修補帽，發明了各種部件，使項目8 得以順利完成。

諾維茨基說：”我們的工程師對這項工作至關重要。從工程師的角度來看，這是一種外行的做法。實驗物理學處於物理學和工程學的交界處。你必須讓特別有冒險精神的工程師和有實踐頭腦的物理學家合作，讓這些東西成為現實，因為這些東西不在教科書裡。”

到達終點

既然研究小組已經證明了他們的設計和實驗系統可以使用氚分子，那麼他們面前還有一項緊迫的任務。整個團隊中的一部分人正在進行下一步的工作：建立一個能夠產生、冷卻和捕獲單個氚原子的系統。這一步非常棘手，因為氚和它更豐富的表親氫一樣，更喜歡形成分子。這些分子將使”8 號工程”小組的最終目標無法實現。在美因茨大學物理學家的領導下，研究人員正在開發一個試驗台，用複雜的磁鐵陣列來製造和捕獲原子氚，這樣就可以防止原子氚接觸樣本細胞壁–因為原子氚幾乎肯定會在細胞壁上恢復成分子形式。

這項技術的進步以及整個儀器的升級，將是達到並最終超過KATRIN 團隊所達到的靈敏度的關鍵步驟。

目前，由來自十個研究機構的成員組成的研究小組正在測試將實驗從豌豆大小的樣品室擴大到一千倍大的樣品室的設計。這樣做的目的是利用更大的監聽裝置捕捉更多的貝塔衰變事件–從豌豆大小到沙灘球大小。

“項目8 不僅是一個更大更好的CRES 實驗，它還是第一個CRES 實驗，也是第一個使用這種探測技術的實驗，”Oblath 說。”這在以前從未有過。大多數實驗都有50 年或100 年的歷史，至少他們使用的探測技術是如此，而這確實是全新的。”