“Project 8″實驗達到測量中微子質量的重要里程碑。中微子是無所不在的基本粒子，與普通物質的相互作用非常微弱。因此，它們通常不受阻礙地穿透物質，也被稱為幽靈粒子。然而，中微子在早期宇宙中扮演主要角色。為了全面解釋我們的宇宙是如何演化的，我們首先需要知道它們的質量。但迄今為止，我們還無法確定它們的品質。

Project 8 創新地利用迴旋加速器輻射發射光譜觀測氚衰變中的電子行為，為中微子質量設定了上限。這標誌著粒子物理學的長期挑戰取得了進展，有可能增進我們對宇宙演化的了解。

國際合作Project 8 希望透過新的實驗改變現狀。Project 8 首次使用全新的技術，即所謂的迴旋加速器輻射發射光譜（CRES），來確定中微子的質量。

在最近發表在《物理評論快報》上的一篇文章中，8 號項目的合作者已經證明CRES 方法確實適用於測定中微子質量，並在首次測量中為這一基本量設定了上限- -這是一個重要的里程碑。美因茨約翰內斯古滕貝格大學（JGU）的馬丁-費爾特爾（Martin Fertl）教授和塞巴斯蒂安-伯塞爾（Sebastian Böser）教授的研究小組參與了這項工作，他們都是PRISMA+ 高級研究小組的研究人員。Christine Claessens 博士曾是Sebastian Böser 的博士生，現在是美國西雅圖華盛頓大學的博士後研究員。

透過電子行為測量中微子質量

Project 8 實驗利用放射性氚的β衰變來追蹤中微子質量。氚是氫的一種重同位素。它不穩定，由一個質子和兩個中子組成。透過將其中一個中子轉換為質子，氚會衰變為氦，同時發射出一個電子和一個反中微子。

馬丁-費爾特爾教授說：”關鍵就在這裡。由於中微子及其反粒子不帶電荷，因此很難被探測到。因此，我們甚至不試圖探測它們。相反，我們通過電子在磁場中的軌道頻率來測量由此產生的電子的能量。根據電子能譜的形狀，我們就能確定中微子的質量，或者通過這種方法設定質量上限。”

CRES 的精度

要獲得可靠的結果，必須極為精確地測量電子的能量。這是因為由此產生的（反）中微子非常輕，至少比電子輕50 萬倍。「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，」塞巴斯蒂安-博瑟教授解釋。

這種方法稱為迴旋加速器輻射發射光譜，簡稱CRES。它可以記錄新生電子在磁場中被迫進入環形路徑時發出的微波輻射。發射輻射的頻率可以非常精確地測定，然後根據電子能量推斷中微子的質量。

為了完成這項工作，克里斯蒂娜-克萊森斯做出了決定性的實驗貢獻：”作為博士論文的一部分，我開發了一套事件檢測系統，其中包括實時觸發和離線事件重建。該系統正在連續在數位化和處理過的無線電頻率訊號中搜尋CRES 的特徵。透過重建每個電子事件的起始頻率，可以高精度地記錄氚衰變頻譜”。

實驗結果

在此基礎上，克萊森斯成功地分析了用CRES 記錄的第一個氚頻譜的系統不確定性，從而利用這項新技術計算了中微子質量的第一個上限。

在這篇論文中，”Project 8″合作小組特別報告了在一個豌豆大小的樣品池中歷時82 天記錄的3770 次氚β衰變事件。樣品池被冷卻到非常低的溫度，並置於一個磁場中，使逸散的電子以足夠長的環形路徑運動，從而使探測器記錄到微波訊號。最重要的是，這個過程不會記錄到可能被誤認為或掩蓋真實訊號的虛假訊號或背景事件。

Sebastian Böser 教授和Martin Fertl 教授總結說：”由於我們現在可以非常精確地測量頻率，因此首次利用純頻率測量技術確定中微子質量的上限是一個非常有希望的結果。”

下一步工作已經開始

原理驗證成功後，下一步已經準備好： 在最終實驗中，研究人員需要用氚分子裂變產生的單一氚原子。這很棘手，因為氚和氫一樣喜歡形成分子。美因茨團隊的一個重要貢獻就是發展出了這樣一種源–首先是原子氫，然後是原子氚。

目前，包括來自全球十個研究機構的成員在內的”Project 8″合作項目正在測試將實驗從豌豆大小的樣品室擴大到一千倍的設計。這樣可以記錄更多的貝塔衰變事件。在多年研發計畫結束時，”Project 8″實驗的靈敏度最終將超過先前的實驗，如目前的KATRIN 實驗，從而首次提供中微子質量的數值。