KATRIN实验基于259天数据对惰性中微子的搜寻：对反应堆与镓异常参数空间的强约束

《Nature》：Sterile-neutrino search based on 259 days of KATRIN data

语 为解决反应堆反中微子异常（RAA）与镓异常（GA）是否源于惰性中微子这一粒子物理悬案，KATRIN合作组通过分析氚β衰变能谱末端36百万电子事件，首次在eV尺度上对惰性中微子参数空间（Δm412、sin2(2θee)）进行高精度直接探测。结果以95%置信度排除了Neutrino-4实验宣称的信号区域及大部分GA/RAA偏好参数，表明轻惰性中微子假说面临严峻挑战，为三代中微子标准模型提供了关键支持。

　　

在宇宙的微观世界中，中微子是最神秘的基本粒子之一。它们虽不参与电磁相互作用，却主宰着恒星演化、超新星爆发乃至宇宙早期的核合成过程。过去25年间，中微子振荡现象的发现证实了三种已知中微子（电子中微子ν_e、缪中微子ν_μ、陶中微子ν_τ）之间存在混合，但其质量起源仍是未解之谜。更令人困惑的是，多个实验观测到与标准模型预言偏离的“异常”：镓异常（Gallium Anomaly, GA）显示短基线中微子通量缺失，反应堆反中微子异常（Reactor Antineutrino Anomaly, RAA）指出预测与实测通量不符，而Neutrino-4实验甚至宣称发现了振荡信号。这些现象被推测可能源于第四种中微子——惰性中微子（sterile neutrino），它仅通过引力相互作用，是探索超越标准模型物理的关键窗口。

为解决这一争议，KATRIN（Karlsruhe Tritium Neutrino）实验组利用其独有的氚β衰变能谱测量技术，对惰性中微子是否存在进行了直接检验。该研究基于2019至2021年共259天的实验数据，通过分析能谱末端40 eV范围内的3600万电子事件，首次在eV尺度上对惰性中微子的质量平方差（Δm₄₁²）与混合角（sin²(2θ_ee)）参数空间进行了系统性扫描。结果以95%置信度排除了Neutrino-4实验的最佳拟合点（Δm₄₁²≈7.3 eV²，sin²(2θ_ee)≈0.36），并对镓异常与反应堆异常的大部分参数空间给出强约束。这项发表于《Nature》的研究不仅挑战了轻惰性中微子假说，也为三代中微子标准模型提供了坚实支持。

关键技术方法

KATRIN实验采用70米长束线，核心包括无窗气体氚源（WGTS）、磁绝热缩能静电滤能器（MAC-E）及分段硅探测器。通过精确控制氚源柱密度（ρd=1.08–4.20×10²¹m^-2）与温度（30–79 K），产生高通量β衰变电子；利用MAC-E滤能器对电子动能进行高分辨筛选（分辨率<2.8 eV），测量积分能谱在端点能量E₀≈18.6 keV附近40 eV范围内的形状畸变；通过网格扫描法（50×50对数网格）分析惰性中微子引起的“扭折”特征，并结合盲分析策略与双独立软件框架（KaFit/Netrium）验证结果可靠性。

研究结果

1. 能谱测量与模型构建

KATRIN通过记录不同阻滞电势（qU_i）下的电子计数率，重建氚β衰变积分能谱。在3+1中微子模型下，能谱被建模为活性与惰性中微子分支的线性叠加：

R_β(E)=cos²θ_ee·R_β(E,m_ν²)+sin²θ_ee·R_β(E,m₄²)

通过卷积实验响应函数与背景模型，对m₄²（0.1–1600 eV²）和sin²θ_ee（10^-3–0.5）进行全局拟合。

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2. 惰性中微子信号排除

分析显示，数据最佳拟合点与无惰性中微子假设（m₄²=0）一致，未发现显著统计偏差。通过Δχ²检验（Wilks定理）绘制的95%置信度排除曲线显示：

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  完全覆盖Neutrino-4宣称区域（排除置信度>99.99%）；

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  显著约束GA最佳拟合点（Δm₄₁²≈1.25 eV², sin²(2θ_ee)≈0.34，排除置信度96.56%）；

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  在Δm₄₁²>3 eV²区域与反应堆实验（PROSPECT、STEREO）形成互补约束。

3. 系统误差与稳健性验证

通过拉动项法（pull-term）纳入源密度、能量损失函数等系统误差，证明统计不确定性占主导地位（Extended Data Fig. 7）。最终态分布（FSD）不确定性分析表明其对排除轮廓影响可忽略（Extended Data Fig. 8）。蒙特卡洛模拟进一步验证了Wilks定理的适用性（Extended Data Fig. 9）。

结论与展望

KATRIN实验通过高精度β能谱测量，为轻惰性中微子假说提供了迄今最严格的直接实验约束。其结果与多数反应堆中微子消失实验的零结果一致，强化了三代中微子标准模型的基石地位。未来，随着数据量增至2.2亿电子事件（2025年完成采集），KATRIN灵敏度将进一步提升；而TRISTAN探测器的升级更将开启keV尺度惰性中微子（作为暗物质候选者）的搜寻新窗口。这项工作不仅澄清了当前实验异常的可能起源，也为下一代中微子研究指明了方向。