直接测量中微子波包空间展宽：基于7Be电子俘获衰变的量子极限实验

为解决中微子波包空间尺度长期缺乏直接测量的难题，研究人员通过将7Be同位素植入超导隧道结（STJ）传感器，首次实现对电子俘获（EC）衰变中7Li反冲核能谱的精密测量，获得中微子波包空间下限σv,x≥6.2 pm。该成果为弱核衰变量子局域化理论提供了关键实验约束，对中微子振荡实验数据解读具有革新意义。

　　

在粒子物理的未解之谜中，中微子始终扮演着"幽灵粒子"的角色。尽管其宇宙丰度极高，但这类仅通过弱相互作用的基本粒子仍充满未知——从质量起源机制到量子相干特性，每个问题的答案都可能颠覆现有理论框架。近年最引人瞩目的争议聚焦于中微子波包的空间尺度：理论预测横跨13个数量级（从10^-13米到米级），而反应堆振荡实验的间接约束又存在巨大误差。这种不确定性直接影响到对中微子振荡、惰性中微子搜索等关键现象的解释，甚至可能隐藏着超越标准模型的新物理。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）领导的国际合作团队在《Nature》发表突破性研究，通过将量子传感技术与稀有同位素相结合，首次实现了对电子俘获衰变中微子波包空间的直接测量。研究人员创新性地将⁷Be同位素植入超导隧道结（STJ，Superconducting Tunnel Junction）的钽晶格中，利用其0.1K下的eV级能量分辨率，精确捕捉了EC衰变产生的⁷Li反冲核能谱。通过分析K壳层俘获至基态（K-GS）峰的能量展宽σ_N,E≤2.9 eV（95%置信度），结合海森堡不确定性原理，最终推导出中微子波包空间下限σ_v,x≥6.2皮米，较先前反应堆实验约束精度提升5个数量级。

关键技术包括：1）在TRIUMF实验室通过在线同位素分离技术制备高纯⁷Be⁺离子束；2）将放射性原子直接嵌入STJ传感器的钽吸收层；3）利用3.49865(15) eV激光脉冲进行原位能量校准；4）通过Voigt函数拟合反冲能谱提取本征宽度。

主要研究结果

量子传感平台的构建

设计的多层STJ传感器包含208×208 μm²的钽吸收层，其0.7 meV的超导能隙可实现1-2 eV能量分辨率。⁷Be在钽晶格中的稀疏植入（约50 Bq/像素）有效避免了原子间相互作用导致的额外展宽。

反冲能谱精密测量

观测到清晰的K/L壳层俘获至基态/激发态四重峰，其中K-GS峰位于108.5 eV，经扣除激光标定误差后得到σ_N,E≤2.9 eV的保守上限。该值对应的动量不确定性σ_Li,p≤16 keV/c，反映最终态系统局域化尺度远超核子尺寸。

中微子波包约束

基于动量守恒方法（σ_v,p=σ_Li,p）获得σ_v,x≥6.2 pm，排除了波包分离解释eV尺度惰性中微子模型与实验数据差异的可能性。相较之下，基于能量守恒方法的约束（σ_v,x≥34 nm）与原子尺度局域化理论更吻合，但需进一步排除晶格效应影响。

理论模型判别

实验结果明显支持核子尺度局域化模型（预测10-400 pm）而非原子尺度模型（预测200 nm），为弱相互作用中量子退相干机制提供了首个实验证据。

这项研究开创了通过量子材料中核衰变产物直接探测基本粒子特性的新范式。6.2 pm的下限不仅确立了EC源中微子波包的最小空间尺度，更暗示弱核衰变的量子特性可能由核内自由度主导。该结论对解释JUNO等下一代振荡实验数据、构建中微子质量模型具有深远影响。未来通过改进STJ材料均匀性及分析技术，有望实现更精确测量以彻底解决不同局域化理论的争议，这或将引发对量子场论尺度分离原理的重新审视。正如Joseph Smolsky等作者强调，这种"由极端局域化系统研究极端非局域化粒子"的方法，为探索标准模型边界开辟了全新路径。