PDF《单电子回旋辐射》

・44卷(2015 年)

6 期 在磁场中做圆周运动的单电子的辐射功率随时间和运动 频率变化的关系 由来自美国和德国的科学家组 成的合作组正在进行一项称作 Proj- ect

8 的实验,探测做轨道转动的单 个电子发出的辐射频率.

这一频 率,从而电子的能量,可以非常精 确地测量.如果能够进一步提高能 量分辨率,Project

8 实验可能成为 一种新的测量中微子质量的方法. 实验装置的核心是一个小的低 压气室,放置在

1 T 的磁铁内.气 室中含有少量的氪-83气体,当其原 子核发生β衰变时产生电子.这些 电子在磁场作用下沿圆形轨道运 动,同时发射出频率大约为25 GHz 的回旋辐射,可以用灵敏的微波放 大器探测. 在探测到的辐射功率随时间和 频率变化的关系图中,向斜上方排 列的辐射条纹是单个电子发出的辐 射(见附图).理论上已知,做圆周 运动的电子会连续地发出辐射,导 致电子逐渐损失能量,转动速率随 着时间线性增加.所探测到的辐射 条纹具有理论预言的线性关系.据此,研究人员将这些条纹与单个电 子联系起来(图中频率的跃增对应于 电子与气室中剩余的原子或分子的 碰撞).通过测量与第一个条纹相关 的频率,能够确定氪-83核发射的电 子能量,精度达到30 eV. 中微子是在β衰变中和电子一 起产生的.Project 8实验测量β衰变 中发射的电子能量并将其与总衰变 能比较.如果中微子具有质量,那 么电子的能量就不可能等于总衰变 能,这是由于一些能量要用于产生 中微子.因此,中微子的质量可通 过测量所发射的电子的最大能量来 确定. 在粒子物理的标准模型中,中 微子是无质量的.这主要是因为标 准模型是在实验表明中微子具有质 量之前建立的.后来的实验显示中 微子有三种味(电子中微子、μ子中 微子和τ子中微子),会从一种类型 变化到另一种类型,即中微子振 荡.这种现象只有在中微子具有质 量时才会发生. 中微子振荡实验仅仅提供了中微 子质量的下限,约为0.01―0.05 eV/c2 . 次最轻的费米子(电子)的质量大于

500000 eV/c2 . 这种 巨大的质量差有可 能表明中微子获得 质量的机制与所有 其他的费米子获得 质量的Higgs机制不 同.有许多试图解 释中微子质量的理 论,其中相当一部 分依赖于仅在极高 能量下才能产生的粒子,所需的能 量远远超出大型强子对撞机或其他 能够设想的粒子对撞机的范围. 至今,中微子振荡是中微子质量 量级的唯一直接证据.实验室条件下 对中微子质量的测定只得到上限值. 最严格的"味平均"的中微子质量 的上限mβ≤2.05 eV/c2 ,来自对氚的 β衰变中发射的电子能谱的仔细观 测.下一代氚衰变实验――Karlsruhe 氚中微子实验(KATRIN)――将用一 台大谱仪测量电子能量,该谱仪设 计的目标是测量小到 0.2 eV/c2 的中 微子质量.但是按照 KATRIN 所采 用的技术,为改进测量的灵敏度必 须建造一台更大的谱仪.KATRIN 已经大如一座建筑物,更大的谱仪 是不现实的. 与之相比,Project

8 的能量分 辨率不受装置大小的限制,而只取 决于磁场的设计和电子回旋频率的 测量精度.这两方面在原则上都可 以改进.Project

8 的研究者们打算 用他们的实验,探测在氚的β衰变 中产生的多个电子的同时发射.他 们目前约

30 eV 的能量分辨率对于 测量中微子质量来说远远不够.但是,未来的 Project