每秒都有超过1000亿个来自太阳核心的中微子穿透人体。中微子是粒子物理学标准模型中的一种电中性基本粒子。物理学家用“味”来描述不同的中微子，分别是：电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。它们的性质各不相同。中微子在空间中移动时会在上述这些不同状态之间振荡，这表明，不同味的中微子质量不同。然而，中微子本身又是唯一一种质量尚不为我们所知的基本粒子。2025年4月，卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）合作团队在《科学》（Science）杂志上发表文章，报告了他们的最新观测结果：他们缩小了中微子质量的范围。根据他们的最新实验结果，中微子质量上限为0.45 eV，置信水平90%。这意味着，中微子的质量小于电子的百万分之一。这个基本量的确定可以进一步发展粒子物理学标准模型，进而帮助我们更好地认识宇宙。

KATRIN利用氚（氢的一种放射性同位素，一个氚原子有两个中子和一个质子）的β衰变确定中微子质量。当氚原子发生β衰变时，原子核中的一个中子释放一个电子和一个反电子中微子（电子中微子的反粒子，和电子中微子质量相同，但量子特性相反）后变成质子。反电子中微子与附近其他粒子之间的相互作用相当微弱，因而无法探测。这类衰变释放的最大能量是固定的，由产物中的电子和反电子中微子共享。因此，产物中的电子能接收的最大能量由两个因素之间的差值决定：一是这类衰变能释放的总能量；二是产生反电子中微子所需的能量。而第二个因素就与反电子中微子的质量相关。如果能以高精确度测量β衰变过程中释放的电子能量，便能通过分析能谱推断中微子质量，具体方法则是在能谱最大能量（称为“端点”）附近区域中寻找能谱形状的微小偏差。

因为这个方法背后的原理只涉及能量和动量守恒，所以它是目前唯一一条在不依赖特定理论模型的前提下推断中微子质量的途径。

不过，简单的概念背后往往隐藏着难以置信的困难。氚天然存在于双原子分子中，因此，电子能谱端点处的偏移总是相当复杂。另外，氚衰变中那些能量接近最大值的电子占比不到千亿分之一。这两大因素对氚原子来源的纯度和实验本身的设计提出了极高的要求。

为了克服这些困难，KATRIN团队建造了一座长70米的极为复杂的设备。在接近设备一端的原料舱内，氚原子的活动水平保持在100 GBq（也即每秒发生1000亿次衰变）。如此频繁的衰变会产生海量电子，但每秒只会有1个电子抵达另一端的探测器。带静电过滤器的磁绝热准直管过滤了绝大多数电子，以规避不携带中微子质量信息的低能量电子进入探测器进而影响计数。实验人员把这个关键组件安装在超高真空中，以防止电子与空气中的粒子接触、碰撞进而损失能量。另外，实验团队还克服了巨大困难，成功抑制了意外产生的背景信号，有效处理了不同实验设定下获取的分析数据。因此，KATRIN整合了所有必不可少的技术，从保存高纯度氚原子源到建模分析复杂磁场环境中电子的运动状况。

2019—2021年，KATRIN团队在前5次中微子质量测量行动（总实验时间259天）中收集了大约3600万个电子。之后，他们准确测量了这些电子的能量，现在得到的结果是：中微子质量的最严格上限是0.45 eV，置信水平90%。这是KATRIN第三次缩小电子中微子的有效质量上限，充分反映了意料之中的实验灵敏度。

2025年，在总数据收集时长达到1000天后，KATRIN团队就会终止中微子质量测量行动。之后，研究人员就会全面分析在这个庞大项目中收集的所有数据。按照现在的估计，届时得到的有效中微子质量大概是0.3 eV，置信水平90%。此外，如此高质量的数据对检验粒子物理学标准模型之外的物理学理论也颇为重要。举例来说，这些数据可以帮助我们验证某些假想中的粒子（比如光惰性中微子）究竟是否存在，帮助我们寻找宇宙诞生之时产生并随后构成宇宙中微子背景的遗迹中微子。

随着更高纯度氚原子源的出现和高能量分辨率探测方法的进步，KATRIN的进阶版也已经启动。另外，还有一些研究团队则在探索通过分析弱核衰变的能谱高能区域确定中微子质量的实验。“8号计划”、“中微子质量量子技术”（QTNM）和“光、早期宇宙、大质量中微子产率彭泰科尔沃氚天文台”（PTOLEMY）也计划在实验装置中使用氚原子。“钬163电子捕获实验”（ECHo）和“霍尔姆斯”（Holmes）实验则试图通过分析用低温微热计测量得到的特定钬原子同位素捕获电子能谱端点区域确定中微子质量。虽然哪怕只是轻微提高实验对中微子质量的灵敏度都相当困难，但事实证明，我们现在确实有办法探测这个基本量，这样的前景激励着越来越多的研究人员加入探测中微子质量的行列。

资料来源 Science