天问专栏：撼动宇宙的小粒子——中微子(4)

粒子物理标准模型，最后一行的绿色粒子为中微子，他们的质量目前未知。图片来源：维基百科

在最初的模型中，三个中微子都是质量为零。目前为止，我们虽然知道它们的质量不为零，但却不知道具体质量是什么。测量质量——听上去很简单的一件事（我妈：“放在秤上量一量就好了嘛！”），实际操作起来，却因为在实验室里中微子只通过弱力起作用而变得极端棘手——β衰变几乎是唯一的办法。

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验就是试图通过观测氚原子的β衰变来寻找答案。氚（3H，读作：chuān）又称超重氢，原子核由一个质子和两个中子组成，比普通的氢原子（氕，读作：piē）多出两个中子，其β衰变产生的电子拥有较小的能量，所以很适合实验目的。KATRIN将测量β衰变后的电子能谱。电子能谱终点与零质量曲线相比所缺少的能量，就是中微子的质量。为什么知道了能量就等于知道了质量？是爱因斯坦著名的质能方程（E=mc2，即能量＝质量*光速平方）告诉我们的。

KATRIN的设想很美好，但是现实却很残酷——如果说中微子质量为1eV的话（保守的上限，实际可能还要更低），能进入最高的1eV能谱的，即“有用”的电子只占所有电子的2x10-13，也就是20万亿颗电子里才有一颗……无论如何，KATRIN实验正在进行中，让我们拭目以待吧！

2006年11月25日，特殊制造的卡车正载着200吨重的KATRIN探测器，小心翼翼地穿过德国小镇符腾堡（Leopoldshafen），运往卡尔斯鲁厄科研中心。图片来源：卡尔斯鲁厄科研中心

德国的卡尔斯鲁厄氚中微子（KATRIN）实验通过测量β衰变的电子能谱终点来限制中微子质量。左图为电子能谱，右图为能谱终点放大图，红线为零质量的预期，蓝线为质量为1eV的中微子。也可以理解为，灰色小三角显示的“失去的能量”就是被中微子的静止质量带走的。图片来源：KATRIN实验

宇宙中微子背景辐射

在宇宙大爆炸发生后的瞬间，整个宇宙像一碗超级热汤，各种粒子（包括中微子）不停地产生和泯灭。而当宇宙迅速膨胀，粒子密度骤然下降后，中微子再也撞不上其它（有电磁力和强力作用的）粒子了，于是在宇宙大爆炸后仅一秒钟，中微子就停止了和其它粒子的弱力作用，从此在宇宙中自由飘荡——这就是宇宙中微子背景辐射[2]。