KATRIN实验揭秘看不见的中微子

在所有已知基本粒子中，中微子或许是最“神秘”的一种。它几乎不与物质发生相互作用，却以难以想象的数量充斥整个宇宙。几十年来，物理学家已经确认至少存在三种中微子，并且它们能够在传播过程中彼此“变身”，这种现象被称为中微子振荡。然而，一系列实验异常始终暗示：自然界中，可能还潜伏着第四种中微子——一种几乎完全不参与弱相互作用的“惰性中微子”。

如果这种粒子真实存在，它将直接动摇标准模型的基本结构，并对宇宙学、暗物质研究乃至宇宙演化史产生深远影响。但问题在于：惰性中微子本身“不可见”，我们只能通过它留下的微弱痕迹间接寻找它的存在。

德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN），正是目前人类最精密、也最“执着”的这种尝试之一。2025年12月3日德国卡尔斯鲁厄氚中微子实验合作团队（The KATRIN Collaboration）在自然杂志发表了最新的科研报告《Sterile-neutrino search based on 259 days of KATRIN data》，将 259 个测量日内记录的 3600 万个氚 β 衰变电子的能谱分析结果向全社会做了公布。

从实验异常到“第四种中微子”的猜想

惰性中微子的故事并非源于理论的随意延伸，而是来自实验数据中反复出现的“异常”。

在 1990 年代和 2000 年代，多项中微子实验——包括镓探测器校准实验、短基线反应堆实验以及 LSND 和 MiniBooNE——都报告了与三味中微子振荡模型不完全一致的结果。这些异常的共同特征是：观测到的电子（反）中微子数量少于或多于理论预期，而这种偏差恰好可以用一个质量在 eV 量级、混合很弱的新中微子来解释。

在最简单的“3+1”模型中，这种新粒子被称为惰性中微子。它不会像普通中微子那样参与弱相互作用，但可以通过量子混合间接影响实验结果。然而，问题很快显现：不同实验之间给出的“最佳参数区间”彼此矛盾，一些实验声称观测到了正信号，另一些则明确给出零结果。

这使得惰性中微子问题成为粒子物理中最具争议、也最令人困惑的前沿议题之一。

不靠“数中微子”，而是“看电子能谱”

与大多数中微子实验不同，KATRIN 并不直接探测中微子本身。它关注的是一种极其经典、却被推向极限精度的过程——氚的 β 衰变。

在氚衰变为氦-3 的过程中，会释放出一个电子和一个反电子中微子。根据能量守恒，电子的最大能量（端点能量）取决于中微子的质量。几十年来，人们正是通过精确测量 β 衰变电子在端点附近的能谱形状，来推断中微子的绝对质量。

KATRIN 实验的独特的创新之处在于：如果除了三种极轻的中微子外，还存在一个质量更大的惰性中微子，那么电子能谱中将不再是单一、平滑的末端，而是会在端点以下某个能量位置出现一个极其微弱的“折点”。

这个折点的位置由惰性中微子的质量决定，而折点的幅度则取决于它与电子中微子的混合强度。换句话说，KATRIN 是在用电子的“能量轮廓”，去勾勒一个看不见的粒子。

一台为“最后 40 eV”而生的巨型仪器

为了完成这项任务，KATRIN 建造了一套长达 70 米的实验装置，其核心是一台直径 10 米的超大型静电能谱仪。这台设备的能量分辨率达到亚电子伏级，专门用于分析 β 衰变端点以下 最后 40 eV 的电子。

在 2019 至 2021 年间，KATRIN 连续运行了五个测量周期，累计获得 3600 万个电子事件。这些电子并非简单计数，而是在不同阻挡电压下被逐一扫描，以重建极高精度的积分能谱。

在这样的精度下，哪怕是背景电子、磁场微小波动、甚至材料表面的残余氚污染，都会成为必须严密控制的系统误差。KATRIN 团队为此不断优化源区、能谱仪和探测器配置，使实验背景被压低到极限水平。

一个“没有发现”的重要结果

分析结果非常清晰：在 KATRIN 的灵敏度范围内，没有观测到任何可以归因于惰性中微子的能谱畸变。

这一“零结果”并不意味着失败，恰恰相反。KATRIN 由此给出了目前最严格之一的直接排除限制：

• 过去由镓异常所偏好的大部分参数空间被排除；
• Neutrino-4 实验声称的全部信号区间被以极高置信度否定；
• 结果与其他短基线反应堆实验形成高度一致的约束图景。

重要的是，KATRIN 的方法不依赖中微子通量预测，也不依赖振荡距离模型，而是纯粹基于能谱形状本身。这使得它在众多实验中具有独特而稳健的地位。

惰性中微子，正在被逼到角落

随着数据的不断积累，惰性中微子“可以藏身的空间”正被迅速压缩。越来越多的证据表明，早期实验异常很可能源于未被充分理解的系统误差，而非新粒子的真实信号。

但物理学从不因“尚未发现”而停止探索。KATRIN 的未来升级——包括新一代 TRISTAN 探测器——将把搜索范围扩展到 keV 量级，这正是惰性中微子作为暗物质候选粒子的关键质量区间。

在这场追逐中，β 衰变能谱那最后几十个电子伏，仍然可能隐藏着改变我们对宇宙认知的线索。