Project 8实验：一种突破传统的测量中微子质量的新技术

中微子是一种非常神秘的粒子，它几乎不与其他物质相互作用，但却在宇宙中无处不在。中微子的质量是一个重要的物理问题，它关系到粒子物理、核物理和宇宙学的各个方面。

我们知道中微子有三种类型，分别叫做电子中微子、μ中微子和τ中微子，它们之间可以通过量子力学的现象进行转换。这种转换说明了中微子的质量不可能都是零，而是有一定的差异。但是，我们还不知道中微子的绝对质量是多少，也不知道它们的质量顺序是怎样的。这些问题对于理解中微子的本质和宇宙的演化都有重要的意义。

为了测量中微子的质量，我们可以利用β衰变，它是中子衰变成质子并发射一个电子和一个反电子中微子的过程。如果我们能够精确地测量电子的能量，我们就可以推断出中微子的能量，从而得到中微子的质量的上限。这种方法最早是由英国物理学家查德威克提出的，他用氚作为β衰变的源，因为氚的半衰期很短，所以它的衰变速率很快，可以产生大量的电子和中微子。

查德威克用一个磁场来弯曲电子的轨迹，然后用一个电场来筛选出不同能量的电子，最后用一个计数器来记录电子的数目。他发现电子的能量分布是一个连续的谱，而不是一个尖锐的峰，这说明了中微子的存在和它的能量不确定性。查德威克根据电子的最大能量，也就是贝塔衰变的终点能量，给出了中微子的质量的上限，大约是1电子伏特（eV）。

从那时起，物理学家们一直在努力提高对中微子质量的测量精度，使用了各种各样的技术和设备。目前，最精确的直接测量结果是由德国的KATRIN实验在2020年给出的，它使用了一个巨大的电子谱仪，可以分辨出不同能量的电子，从而得到了中微子的质量的上限，大约是0.8 eV。这个结果已经非常接近于一些间接测量方法给出的中微子的质量范围，比如基于宇宙微波背景辐射的观测。

但是，我们还没有达到最终的目标，那就是确定中微子的绝对质量和质量顺序。为了做到这一点，我们需要更加灵敏和创新的测量方法。这就是Project 8实验的目标，它是一个国际合作的项目，由美国、德国、法国和西班牙的科学家组成。

Project 8实验的核心思想是利用一种叫做回旋辐射发射光谱法（CRES）的技术，它是一种基于频率的测量方法，可以直接测量电子的能量，而不需要任何电子谱仪或电场。CRES的原理是这样的：当一个带电粒子在一个磁场中运动时，它会发射一种叫做回旋辐射的电磁波，它的频率和粒子的能量成正比。所以，如果我们能够用一个灵敏的接收器来捕捉这种回旋辐射，并且用一个精确的频谱仪来分析它的频率，我们就可以得到粒子的能量。这种方法的优点是它不受电子的轨迹的影响，也不需要任何电子的聚焦或传输，因此可以大大减少系统的误差和背景噪声。

Project 8实验的设备是一个小型的真空室，里面有一个氚源、一个磁场、一个回旋辐射接收器和一个频谱仪。氚源是一个充满氚气的小球，它的直径只有几厘米，它可以产生大约每秒10亿个β衰变。磁场是由一个超导磁体产生的，它可以产生一个强度为1特斯拉的均匀的磁场，使得电子在垂直于磁场的方向上运动。回旋辐射接收器是一个特制的天线，它可以在一个宽泛的频率范围内接收电子发射的回旋辐射，从几兆赫兹到几十千兆赫兹。频谱仪是一个高性能的数字信号处理器，它可以对回旋辐射的信号进行快速的傅里叶变换，从而得到电子的能量分布。

Project 8实验已经进行了几年的研究和开发，目前已经进入了第三阶段，也就是使用氚源进行测量的阶段。在最近发表的一篇论文中，Project 8合作组报告了他们的最新的结果，他们使用了CRES技术测量了氚的贝塔谱，并且给出了中微子的质量的上限。这个结果虽然还没有达到KATRIN实验的水平，但是已经是第一个基于频率的中微子质量的限制，而且展示了CRES技术的潜力和优势。