Project 8實驗：一種突破傳統的測量中微子質量的新技術

中微子是一種非常神秘的粒子，它幾乎不與其他物質相互作用，但卻在宇宙中無處不在。中微子的質量是一個重要的物理問題，它關係到粒子物理、核物理和宇宙學的各個方面。

我們知道中微子有三種類型，分別叫做電子中微子、μ中微子和τ中微子，它們之間可以通過量子力學的現象進行轉換。這種轉換說明了中微子的質量不可能都是零，而是有一定的差異。但是，我們還不知道中微子的絕對質量是多少，也不知道它們的質量順序是怎樣的。這些問題對於理解中微子的本質和宇宙的演化都有重要的意義。

爲了測量中微子的質量，我們可以利用β衰變，它是中子衰變成質子併發射一個電子和一個反電子中微子的過程。如果我們能夠精確地測量電子的能量，我們就可以推斷出中微子的能量，從而得到中微子的質量的上限。這種方法最早是由英國物理學家查德威克提出的，他用氚作爲β衰變的源，因爲氚的半衰期很短，所以它的衰變速率很快，可以產生大量的電子和中微子。

查德威克用一個磁場來彎曲電子的軌跡，然後用一個電場來篩選出不同能量的電子，最後用一個計數器來記錄電子的數目。他發現電子的能量分佈是一個連續的譜，而不是一個尖銳的峰，這說明了中微子的存在和它的能量不確定性。查德威克根據電子的最大能量，也就是貝塔衰變的終點能量，給出了中微子的質量的上限，大約是1電子伏特（eV）。

從那時起，物理學家們一直在努力提高對中微子質量的測量精度，使用了各種各樣的技術和設備。目前，最精確的直接測量結果是由德國的KATRIN實驗在2020年給出的，它使用了一個巨大的電子譜儀，可以分辨出不同能量的電子，從而得到了中微子的質量的上限，大約是0.8 eV。這個結果已經非常接近於一些間接測量方法給出的中微子的質量範圍，比如基於宇宙微波背景輻射的觀測。

但是，我們還沒有達到最終的目標，那就是確定中微子的絕對質量和質量順序。爲了做到這一點，我們需要更加靈敏和創新的測量方法。這就是Project 8實驗的目標，它是一個國際合作的項目，由美國、德國、法國和西班牙的科學家組成。

Project 8實驗的核心思想是利用一種叫做迴旋輻射發射光譜法（CRES）的技術，它是一種基於頻率的測量方法，可以直接測量電子的能量，而不需要任何電子譜儀或電場。CRES的原理是這樣的：當一個帶電粒子在一個磁場中運動時，它會發射一種叫做迴旋輻射的電磁波，它的頻率和粒子的能量成正比。所以，如果我們能夠用一個靈敏的接收器來捕捉這種迴旋輻射，並且用一個精確的頻譜儀來分析它的頻率，我們就可以得到粒子的能量。這種方法的優點是它不受電子的軌跡的影響，也不需要任何電子的聚焦或傳輸，因此可以大大減少系統的誤差和背景噪聲。

Project 8實驗的設備是一個小型的真空室，裡面有一個氚源、一個磁場、一個迴旋輻射接收器和一個頻譜儀。氚源是一個充滿氚氣的小球，它的直徑只有幾釐米，它可以產生大約每秒10億個β衰變。磁場是由一個超導磁體產生的，它可以產生一個強度爲1特斯拉的均勻的磁場，使得電子在垂直於磁場的方向上運動。迴旋輻射接收器是一個特製的天線，它可以在一個寬泛的頻率範圍內接收電子發射的迴旋輻射，從幾兆赫茲到幾十千兆赫茲。頻譜儀是一個高性能的數字信號處理器，它可以對迴旋輻射的信號進行快速的傅里葉變換，從而得到電子的能量分佈。

Project 8實驗已經進行了幾年的研究和開發，目前已經進入了第三階段，也就是使用氚源進行測量的階段。在最近發表的一篇論文中，Project 8合作組報告了他們的最新的結果，他們使用了CRES技術測量了氚的貝塔譜，並且給出了中微子的質量的上限。這個結果雖然還沒有達到KATRIN實驗的水平，但是已經是第一個基於頻率的中微子質量的限制，而且展示了CRES技術的潛力和優勢。