科学家经过近二十年的实验研究，终于完成了对中微子的“称重”，中微子是宇宙中最丰富的物质粒子，无时不刻地穿透您身体。
中微子可能是最奇怪的亚原子粒子；虽然数量丰富，但它需要一些最灵敏的探测器来观测。几十年来，科学家们一直在研究中微子是否有质量，如果有，质量是多少。德国的卡尔斯鲁厄氚中微子卡特琳（katrin）实验现在揭示了它的第一个结果，限制了该质量的最大极限。这项工作对我们理解整个宇宙有着重要的意义，因为这些粒子在宇宙大爆炸后不久就形成了，并帮助塑造了早期宇宙中形成结构的方式。
卡内基梅隆大学的助理研究教授戴安娜·帕诺（Diana Parno）在接受媒体采访时说：“在实验室里，你没有太多的机会测量影响宇宙演化的宇宙学参数。”
中微子有三种类型：电子、μ子和τ，这取决于它们如何与相应的电子、μ子和τ粒子相互作用。早在1957年，物理学家布鲁诺·庞蒂科夫（Bruno Pontecorvo）就预言中微子会在这三种不同的“味道”之间振荡，但这种振荡需要粒子具有质量。自那以后，实验证明了振荡的存在，这一发现使阿瑟·B·麦克唐纳和高崎·卡吉塔获得2015年诺贝尔奖。
但要计算出中微子的质量是很困难的，原因很多，最重要的是，中微子只能通过微弱的核力与物质相互作用，而核力是人类建造的实验难以获得的基本力。在量子力学中，每一种中微子都是由三种“质量状态”的概率组合而成。由于量子力学的怪诞，你可以测量中微子的质量状态或味道，但不能同时测量两者。
探测一个与典型传感器不相互作用的粒子需要科学家们发挥创造力。卡特琳（katrin）实验以一种叫做氚的25克放射性氢气开始，这种氢气储存在一个10米的容器中，容器的低温足够冷，即使是氖气也是液体。这些原子经历一种称为β衰变的放射性衰变，其中一个中子变成质子，在衰变过程中吐出一个电子和一个电子反中微子（其质量与电子中微子相同）。
这些衰变产物进入一个称为光谱仪的室内探测器，该探测器是用来测量电子的能量。电子和中微子各自带走了反应的一些能量，但是它们带走的能量会有所不同。科学家必须研究所有不同电子能量的光谱，特别是那些带走了最大能量的电子，而这些电子的中微子反过来又带走了最小能量。对结果图形状的分析揭示了任何中微子质量态的最大能量。
中微子的三种质量态的平均质量最低值小于0.1电子伏（ev）。经过一个月的运行和18年的规划和建设，卡特林现在已经预测三种质量态中任何一种的上限为1.1电子伏（ev），其中一个电子重约50万电子伏（ev），一个质子重近10亿电子伏（ev）。
上周五，卡特琳（katrin）实验室的科学家在日本富山举行的“2019年天体粒子与地下物理专题”会议上宣布了这一结果。
卡特琳（katrin）实验研究合作始于2001年，但华盛顿大学物理学名誉教授、卡特琳（katrin）科学家哈米什·罗伯逊（hamish robertson）对媒体说：“展开科研合作已经很长时间了，因为这是一个非常复杂的实验。”
实验气源的压力和温度需要精确控制，运动部件多。设计和建造这台巨大的光谱仪花了数年时间，它可以排除不需要的电子，并精确测量产生的电子能量。
“这在某种程度上是分形的，”帕诺说，“如果放大实验的任何部分并问及这些问题，您将再次获得相同级别的复杂性。”
卡特琳（katrin）只是计算中微子质量的几种不同方法之一。就在上个月，研究人员利用宇宙学数据，论证了三个中微子质量之和至多为0.26电子伏特。其他实验希望利用稀有原子衰变，来计算中微子质量。但没有参与这项研究的杜克大学物理副教授菲利普·巴博指出，卡特林的发现很有价值，因为他们并不依赖于宇宙如何运作的宏大理论。
卡特琳（katrin）最近“称重”中微子，获得的质量的限制区间是其他实验装置中确定的最大质量的一半，并且仅来自一个月的数据。还有很多事情要做，包括获取五年测量数据。科学家们最终想知道的不仅仅是中微子状态的最大质量；他们想知道所有三个状态的绝对质量以及它们如何相互比较。解决这个问题对于理解早期宇宙的行为，中微子是否是它自己的反粒子，以及为什么宇宙中的物质比反物质多，都有影响。许多物理学家对卡特琳（katrin）结果很感兴趣。
“这是一个基本参数，”没有参与这项研究的杜克大学物理学教授凯特·斯科尔伯格（Kate Scholberg）告诉吉兹莫多。“如果你试图建立基本物理的整体模型，大统一理论和类似的东西，那么你想要所有你能得到的信息——就像所有粒子的质量一样。”
