中微子是一種非常神秘的粒子，它幾乎不與其他物質(zhì)相互作用，但卻在宇宙中無處不在。中微子的質(zhì)量是一個(gè)重要的物理問題，它關(guān)系到粒子物理、核物理和宇宙學(xué)的各個(gè)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(xué)的現(xiàn)象進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換說明了中微子的質(zhì)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(duì)質(zhì)量是多少，也不知道它們的質(zhì)量順序是怎樣的。這些問題對(duì)于理解中微子的本質(zhì)和宇宙的演化都有重要的意義。

為了測量中微子的質(zhì)量，我們可以利用β衰變，它是中子衰變成質(zhì)子并發(fā)射一個(gè)電子和一個(gè)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(zhì)量的上限。這種方法最早是由英國物理學(xué)家查德威克提出的，他用氚作為β衰變的源，因?yàn)殡暗陌胨テ诤芏蹋运乃プ兯俾屎芸欤梢援a(chǎn)生大量的電子和中微子。

查德威克用一個(gè)磁場來彎曲電子的軌跡，然后用一個(gè)電場來篩選出不同能量的電子，最后用一個(gè)計(jì)數(shù)器來記錄電子的數(shù)目。他發(fā)現(xiàn)電子的能量分布是一個(gè)連續(xù)的譜，而不是一個(gè)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(jù)電子的最大能量，也就是貝塔衰變的終點(diǎn)能量，給出了中微子的質(zhì)量的上限，大約是1電子伏特（eV）。

從那時(shí)起，物理學(xué)家們一直在努力提高對(duì)中微子質(zhì)量的測量精度，使用了各種各樣的技術(shù)和設(shè)備。目前，最精確的直接測量結(jié)果是由德國的KATRIN實(shí)驗(yàn)在2020年給出的，它使用了一個(gè)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(zhì)量的上限，大約是0.8 eV。這個(gè)結(jié)果已經(jīng)非常接近于一些間接測量方法給出的中微子的質(zhì)量范圍，比如基于宇宙微波背景輻射的觀測。

但是，我們還沒有達(dá)到最終的目標(biāo)，那就是確定中微子的絕對(duì)質(zhì)量和質(zhì)量順序。為了做到這一點(diǎn)，我們需要更加靈敏和創(chuàng)新的測量方法。這就是Project 8實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)，它是一個(gè)國際合作的項(xiàng)目，由美國、德國、法國和西班牙的科學(xué)家組成。摘自: www.ws46.com

Project 8實(shí)驗(yàn)的核心思想是利用一種叫做回旋輻射發(fā)射光譜法（CRES）的技術(shù)，它是一種基于頻率的測量方法，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(dāng)一個(gè)帶電粒子在一個(gè)磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，它會(huì)發(fā)射一種叫做回旋輻射的電磁波，它的頻率和粒子的能量成正比。所以，如果我們能夠用一個(gè)靈敏的接收器來捕捉這種回旋輻射，并且用一個(gè)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(yōu)點(diǎn)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(tǒng)的誤差和背景噪聲。

Project 8實(shí)驗(yàn)的設(shè)備是一個(gè)小型的真空室，里面有一個(gè)氚源、一個(gè)磁場、一個(gè)回旋輻射接收器和一個(gè)頻譜儀。氚源是一個(gè)充滿氚氣的小球，它的直徑只有幾厘米，它可以產(chǎn)生大約每秒10億個(gè)β衰變。磁場是由一個(gè)超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的，它可以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)度為1特斯拉的均勻的磁場，使得電子在垂直于磁場的方向上運(yùn)動(dòng)。回旋輻射接收器是一個(gè)特制的天線，它可以在一個(gè)寬泛的頻率范圍內(nèi)接收電子發(fā)射的回旋輻射，從幾兆赫茲到幾十千兆赫茲。頻譜儀是一個(gè)高性能的數(shù)字信號(hào)處理器，它可以對(duì)回旋輻射的信號(hào)進(jìn)行快速的傅里葉變換，從而得到電子的能量分布。

Project 8實(shí)驗(yàn)已經(jīng)進(jìn)行了幾年的研究和開發(fā)，目前已經(jīng)進(jìn)入了第三階段，也就是使用氚源進(jìn)行測量的階段。在最近發(fā)表的一篇論文中，Project 8合作組報(bào)告了他們的最新的結(jié)果，他們使用了CRES技術(shù)測量了氚的貝塔譜，并且給出了中微子的質(zhì)量的上限。這個(gè)結(jié)果雖然還沒有達(dá)到KATRIN實(shí)驗(yàn)的水平，但是已經(jīng)是第一個(gè)基于頻率的中微子質(zhì)量的限制，而且展示了CRES技術(shù)的潛力和優(yōu)勢。