"Project 8"实验达到测量中微子质量的重要里程碑。中微子是无处不在的基本粒子，与普通物质的相互作用非常微弱。因此，它们通常不受阻碍地穿透物质，也被称为幽灵粒子。然而，中微子在早期宇宙中扮演着主要角色。为了全面解释我们的宇宙是如何演化的，我们首先需要知道它们的质量。但迄今为止，我们还无法确定它们的质量。

Project 8 创新性地利用回旋加速器辐射发射光谱观测氚衰变中的电子行为，为中微子质量设定了上限。这标志着粒子物理学中的一项长期挑战取得了进展，有可能增进我们对宇宙演化的了解。

国际合作Project 8 希望通过新的实验改变这一现状。Project 8 首次使用一种全新的技术，即所谓的回旋加速器辐射发射光谱（CRES），来确定中微子的质量。

在最近发表在《物理评论快报》上的一篇文章中，8 号项目的合作者已经证明 CRES 方法确实适用于测定中微子质量，并在首次测量中为这一基本量设定了上限--这是一个重要的里程碑。美因茨约翰内斯古滕贝格大学（JGU）的马丁-费尔特尔（Martin Fertl）教授和塞巴斯蒂安-伯塞尔（Sebastian Böser）教授的研究小组参与了这项工作，他们都是 PRISMA+ 高级研究小组的研究人员。Christine Claessens 博士曾是 Sebastian Böser 的博士生，现在是美国西雅图华盛顿大学的博士后。

通过电子行为测量中微子质量

Project 8 实验利用放射性氚的β衰变来跟踪中微子质量。氚是氢的一种重同位素。它不稳定，由一个质子和两个中子组成。通过将其中一个中子转化为质子，氚会衰变为氦，同时发射出一个电子和一个反中微子。

马丁-费尔特尔教授说："关键就在这里。由于中微子及其反粒子不带电荷，因此很难被探测到。因此，我们甚至不试图探测它们。相反，我们通过电子在磁场中的轨道频率来测量由此产生的电子的能量。根据电子能谱的形状，我们就能确定中微子的质量，或者通过这种方法设定质量上限。"

CRES 的精度

要获得可靠的结果，必须极其精确地测量电子的能量。这是因为由此产生的（反）中微子非常轻，至少比电子轻 50 万倍。"当中微子和电子同时产生时，中微子质量对电子运动的影响微乎其微。我们希望看到这种微小的影响，"塞巴斯蒂安-博瑟教授解释说。

这种方法被称为回旋加速器辐射发射光谱，简称 CRES。它可以记录新生电子在磁场中被迫进入环形路径时发出的微波辐射。发射辐射的频率可以非常精确地测定，然后根据电子能量推断出中微子的质量。

为了完成这项工作，克里斯蒂娜-克莱森斯做出了决定性的实验贡献："作为博士论文的一部分，我开发了一套事件检测系统，其中包括实时触发和离线事件重建。该系统在连续数字化和处理过的无线电频率信号中搜索 CRES 的特征。通过重建每个电子事件的起始频率，可以高精度地记录氚衰变频谱"。

实验结果

在此基础上，克莱森斯成功地分析了用 CRES 记录的第一个氚频谱的系统不确定性，从而利用这项新技术计算出了中微子质量的第一个上限。

在这篇论文中，"Project 8"合作小组特别报告了在一个豌豆大小的样品池中历时 82 天记录的 3770 次氚β衰变事件。样品池被冷却到非常低的温度，并置于一个磁场中，使逸散的电子以足够长的环形路径运动，从而使探测器记录到微波信号。最重要的是，这一过程不会记录到可能被误认为或掩盖真实信号的虚假信号或背景事件。

Sebastian Böser 教授和 Martin Fertl 教授总结说："由于我们现在可以非常精确地测量频率，因此首次利用纯频率测量技术确定中微子质量的上限是一个非常有希望的结果。"

下一步工作已经开始

原理验证成功后，下一步已经准备就绪： 在最终实验中，研究人员需要用氚分子裂变产生的单个氚原子。这很棘手，因为氚和氢一样喜欢形成分子。美因茨团队的一个重要贡献就是开发出了这样一种源--首先是原子氢，然后是原子氚。

目前，包括来自全球十个研究机构的成员在内的"Project 8"合作项目正在测试将实验从豌豆大小的样品室扩大到一千倍的设计。这样可以记录更多的贝塔衰变事件。在多年研发计划结束时，"Project 8"实验的灵敏度最终将超过以前的实验，如目前的 KATRIN 实验，从而首次提供中微子质量的数值。