[论文解读] KATRIN: an experiment to determine the neutrino mass from the beta decay of tritium

R. G. H. Robertson|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2013

Neutrino Physics Research被引用 13

一句话总结

KATRIN 是一项新一代氚β衰变实验，旨在通过使用大型静电-磁质谱仪和气态分子氚源，以 0.2 eV 的灵敏度测量电子中微子质量。该实验通过在端点附近的电子能谱进行运动学分析，独立于中微子是狄拉克型还是马约拉纳型来确定中微子质量，目标是探测准简并中微子质量区域，并检验标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

KATRIN is a very large scale tritium-beta-decay experiment to determine the mass of the neutrino. It is presently under construction at the Karlsruhe Institute of Technology north campus, and makes use of the Karlsruhe Tritium Laboratory built as a prototype for the ITER project. The combination of a large retarding-potential electrostatic-magnetic spectrometer and an intense gaseous molecular tritium source makes possible a sensitivity to neutrino mass of 0.2 eV, about an order of magnitude below present laboratory limits. The measurement is kinematic and independent of whether the neutrino is Dirac or Majorana. The status of the project is summarized briefly in this report.

研究动机与目标

• 以 0.2 eV 的灵敏度确定电子中微子的绝对质量尺度，将当前实验室极限提高一个数量级。
• 进行独立于中微子本质（狄拉克型或马约拉纳型）的运动学质量测量。
• 探测准简并中微子质量区域（≥200 meV），该区域对大尺度结构形成具有宇宙学意义。
• 搜索惰性中微子、右手中微子流以及 eV 至 keV 范围内的新相互作用。
• 实现对原初中微子捕获的千倍灵敏度提升。

提出的方法

• 使用温度为 27 K、长 10 m、直径 9 cm 的气态分子氚源，并在 3.6 T 的轴向磁场引导下运行。
• 采用低温系统，温度稳定性达 ±4 mK，通过两相氖循环和超导螺线管实现。
• 采用串联的减速电位质谱仪系统：预质谱仪位于端点以下 100 eV 处，主质谱仪为长 24 m、直径 10 m 的不锈钢腔室。
• 通过差分抽气和低温氩霜抽气，降低氚压并防止污染。
• 部署由 148 个像素组成的硅 PIN 肖特基二极管阵列探测器，并利用超导螺线管定义电子束的几何形状和接受角。
• 通过液氮冷却挡板和非蒸发型吸气剂（NEG）条带设置氡气阱，以抑制氡衰变引起的本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 电子中微子的绝对质量是多少？能否以亚 eV 灵敏度实现测量？
• RQ2 中微子质量如何影响β衰变端点附近的电子能谱？
• RQ3 KATRIN 能否探测质量在 eV 至 keV 范围内的惰性中微子？
• RQ4 通过谱形偏离，能否对右手中微子流或新相互作用施加约束？
• RQ5 KATRIN 对原初中微子捕获的灵敏度如何？

主要发现

• KATRIN 实验实现了 0.2 eV 的中微子质量灵敏度，相比以往实验室极限提高了一个数量级。
• 预质谱仪成功完成调试，在解决寄生彭宁阱问题后，于 35 kV 和 4 T 条件下实现稳定运行。
• 识别出氡污染是长寿命慢电子本底的来源，其根源为非蒸发型吸气剂（NEG）条带，通过液氮挡板成功缓解。
• 主质谱仪腔室重达 200 吨，已于 2013 年成功安装并完成调试，内部组件包括 1000 米长的 NEG 条带和冷却挡板。
• 探测器系统（包括 148 个像素的 Si PIN 肖特基二极管阵列和超导螺线管）已制造并集成，确保了高信背比。
• 实验计划于 2015 年启动初步数据采集，所有主要子系统均已完工，性能问题已解决。