最近Nature上发篇文章，说测量了中微子的空间尺度，居然比原子核大一千倍。下面是机器翻译
http://t.cn/A61iq5dw
出版日期：2025 年 2 月 12 日
对中微子波包空间范围的直接实验约束
约瑟夫·斯莫尔斯基,凯尔·利奇,瑞安·阿贝尔斯,佩德罗·阿马罗,阿德里安·安多什,基思·博布里奇,康纳·布雷,罗宾·康托,大卫·迪尔克斯,斯宾塞·弗雷特韦尔,斯蒂芬·弗里德里希,阿比盖尔·吉莱斯皮,毛罗·格拉,广告厅,卡梅隆·哈里斯,杰克逊·哈里斯,Leendert M. Hayen,Paul-Antoine Hervieux,卡尔文·欣克尔,金根博,金仁旭,阿米·拉姆,安妮卡·伦纳兹,文森佐·洛迪,豪尔赫·马查多,安德鲁·马里诺,大卫·麦基恩,泽维尔·穆吉奥,弗朗西斯科·庞塞,克里斯·鲁伊斯,阿米特·萨曼塔,何塞·保罗·桑托斯,凯特琳·斯通-怀特海德,约翰·泰勒,约瑟夫·坦普尔特,Sriteja Upadhyayula,路易斯·瓦格纳 & 威廉·沃伯顿 显示较少的作者
自然界 volume638,pages640–644 （2025）引用本文

抽象
尽管中微子在我们的宇宙中相对丰度很高，但它们是自然界中最不为人知的基本粒子。事实上，在实验相关来源中发射的中微子的量子特性在理论上是有争议的1,2,3,4中微子波包的空间范围仅受到 13 个数量级的反应堆中微子振荡数据的松散限制5,6.在这里，我们提出了一种通过精确测量铍 7 放射性衰变中发射的反冲子核的能量宽度来直接访问该量的方法。衰变过程的最终状态包含一个反冲的锂 7 原子核，它在产生时与电子中微子纠缠。通过将铍 7 放射性同位素直接嵌入作为低温传感器运行的高分辨率超导隧道结中，可以高精度地测量锂 7 能谱。在这种方法下，我们为 6.2 pm 的反冲子星的海森堡空间不确定性设定了下限，这意味着最终状态系统的定位规模比原子核本身大一千倍以上。从这次测量中，据我们所知，第一个是提取了中微子波包空间范围的直接下限。这些结果可能在多个领域产生影响，包括中微子特性的理论理解、弱核衰变中局域化的性质以及中微子物理数据的解释。

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主要
量子力学基于这样一个概念，即我们宇宙的微观尺度包含位置和动量的固有不确定性，这些不确定性从根本上以σ的形式联系在一起xσp≥ ħ/2 （参考文献）7).使用这种理论描述，粒子动量宽度的精确知识σp意味着其空间波函数σ范围存在相应的不确定性x.当物体通过与复杂环境浴的相互作用而失去保持连贯性的能力时，它的位置就会被定位。量子对象的这种定位在很大程度上取决于它们所处的特定环境8.最近的工作主要集中在构建越来越大的相干量子系统9,10和其他高度离域的对象，将测量和其他应用推向并超过标准量子极限11,12.此类实验处于量子科学和工程的前沿，部分目的是探索经典力学和量子力学之间的界面。

相比之下，我们在这里提出了一种新的测量概念：使用嵌入在低温复杂固态材料中的高度局域不稳定系统作为精密实验室来探测亚原子粒子的量子特性。我们表明，这个概念对于研究由于粒子物理学标准模型中的弱耦合而无法直接访问的系统的性质特别强大，尤其是中微子 （ν）。

中微子是轻的中性轻子，是标准模型中唯一具有内禀手性的粒子，因为它们只能通过三种风味特征态（即 ν）的弱相互作用的左旋电流相互作用e、 νμ和 ντ.过去 30 年的中微子振荡实验13,14 元还表明这些风味特征态包括至少两个非零质量特征态。这种对非零中微子质量的观察获得了诺贝尔物理学奖（2015 年），但目前尚不清楚标准模型应该如何扩展以包含大质量中微子15.中微子的风味振荡效应源于质量特征态和弱相互作用特征态彼此不相等的事实，并且由于它们与弱力和引力的相互作用概率很小，因此它们能够保持长距离的相干性16.因此，即使对于具有确定风味的中微子——电子中微子 （νe）中，中微子波包中存在状态的相干叠加，它影响观察到特定风味的概率，作为时间或与源的距离的函数。当中微子在太空中传播时，它们的质量特征态会因速度不同而分离，最终不再重叠，从而导致群波包的退相干17、18、19、20 元.

由于中微子很少与物质相互作用，因此它们非常难以探测。例如，νe动能为 1 MeV 时，相互作用截面约为 10−42厘米2（参考。21).这一事实也使中微子系统具有吸引力，可用于研究量子力学的基本特性和奇特的新物理学，因为它们能够保持长距离的相干性。从历史上看，从各种来源观察这些所谓的“幽灵粒子”需要大体积探测器，但检测精度有限，需要运行数年22.这些探测器依赖于中性线电流和带电电流与这些大体积的原子核或电子的相互作用21.最终态粒子用于重建传入的中微子能量和相互作用点，以及用于带电电流相互作用的中微子风味。探测器中任何种类的磁通量不足或过量，与源的风味比进行比较，用于确定振荡概率与能量和距离的函数关系。来自中微子振荡实验的全局数据已被用于确定三个标准模型中微子的质量分裂和混合参数15.此外，来自大亚湾的数据23,24 元雷诺25,26 元和 KamLAND27反应堆中微子实验目前对来自β的 \（{\overline{\nu }}_{{\rm{e}}}\） 波包的空间范围提供了松散的间接约束−衰减源5,6;但是，νe来自电子捕获 （EC） 源的波包从未被研究过。

为了从上述反应器振荡实验中提取物理场，需要在标准模型的轻子混合框架中进行解释15.中微子混合参数、物质效应和组合探测器的系统不确定性使提取限制了σν，x这是一项复杂而艰巨的任务。使用这种方法，来自反应堆 \（{\overline{\nu }}_{{\rm{e}}}\） 的波包的当前限制为 2.1 × 10−13m ≤ σν，x≤ 2 m （参考文献。5,6).如果 \（{\overline{\nu }}_{{\rm{e}}}\） 和 ν 的空间宽度e波包确实接近这些极限的低端，它对中微子物理学格局产生了相当大的影响，包括通过对可用数据进行模型依赖拟合来减轻具有电子伏特尺度质量的无菌中微子模型中的张力28,29 元并影响 JUNO 的物理目标30.

鉴于目前中微子物理学领域普遍存在的异常情况31，需要能够提供与模型无关的中微子访问的新技术。已经提出了巧妙的新实验概念，以使用高效的小规模设置来满足这一需求32、33、34 元它们对模型的依赖性较小，并且不受低中微子相互作用截面的限制。这些实验旨在精确测量核 EC 衰变中的低能反冲原子35通过中微子在放射性衰变的最终状态中的纠缠直接获取中微子的信息。在这些新概念中，超导隧道结中的铍 EC （BeEST） 实验32是目前唯一一个实际使用直接 EC 子反冲探测概念进行中微子物理学的36和天体物理学37.在这里，我们报告了据我们所知，在 EC 衰变中，中微子波包的空间宽度来自反冲核的能量宽度的第一个直接限制，σ北，东，通过他们之间的相互纠葛。

核 EC 衰变是一种放射性衰变模式，它是由质子在核体积中捕获轨道电子引起的35.在基本层面上，这种弱相互作用过程通过组成核子中 W 玻色子的交换将上夸克转变为下夸克，并通过发射 ν 使轻子数守恒e.在这里介绍的工作的实验上下文中，可观察的最终状态仅包含两个乘积：反冲重子系统和 νe.我们观察到的这个简单的双体系统在创建时就被纠缠在一起，因此，对子反冲的精确测量提供了对中微子信息的直接访问。

σ 的量级ν，x预计取决于环境因素、衰减类型和局部交互的规模。基于通过原子相互作用的定位的预测导致估计σν，x≈ 200 nm 对于反应器β的 \（{\overline{\nu }}_{{\rm{e}}}\）−衰变源和σν，x≈ 1–10 μm （ν）e从51Cr EC 源1,3.其他假设通过原子核自由度进行定位的理论方法β−EC ν 的衰变 \（{\overline{\nu }}_{{\rm{e}}}\） 和原子中的自由度e导致 σν，x≈ 晚上 10 点至 400 点（反应器β−衰变源和σν，x铍 7 的 ≈ 为 3 nm （7Be） EC 源2,4.由于这些预测相差几个数量级，因此来自任何基于核衰变的 ν 源的足够精确的波包测量都可能在弱核衰变中量子定位的尺度上区分这些相互竞争的理论。

具有 7 个核子和 4 个电子，中子缺陷7Be Nucleus 是核领域中最简单的纯 EC 衰变系统。要测量7将 EC 衰减谱精确到高精度，我们直接嵌入了7进入用作高能量分辨率传感器的单个超导隧道结 （STJ） 的顶部钽膜38.本分析中使用的 STJ 像素是 36 像素阵列的一部分，其中每个传感器的表面积为 208 × 208 μm2由以下五层组成（从上到下）：Ta （165 nm）—Al （50 nm）—Al2O3（1 nm）—Al （50 nm）—Ta （265 nm）（图 D）。1）. 该设备是在 STAR Cryoelectronics 通过光刻制造的39.STJ 利用超导 Ta 中的小能隙 （Δ钽≈ 0.7 meV），在感兴趣的能量区域（约 100 eV）中提供 1-2 eV 的固有器件能量分辨率。

图 1：7在 STJ 中担任 EC。
图 1
STJ 传感器示意图，显示了文中描述的五层。这7Be 放射源稀疏地注入吸收层的 Ta 晶格中。放大的图像（右上）显示了 EC 衰减后的最终状态，包括7Li 后坐力和 νe.

全尺寸图像
放射性7铍离子通过位于芯片上方约 100 μm 的 Si 准直器中的孔径直接注入 STJ 像素。这+7生产 Be-ion 束并将其运送到 TRIUMF-ISAC 设施的植入室终端站+40在 30 keV 的能量下。同位素纯（近 90%）7使用在线同位素分离技术产生 Be 束+41使用来自入射到一堆薄碳化铀靶上的 10 μA、480 MeV 质子束的散裂反应。一旦通过扩散从靶材中释放出来，产生的铍原子就会使用离子引导激光离子源选择性电离42在抑制模式下作43.生成的7以 6.1 × 10 的速率植入 Be 离子+6s−1在 25 小时的时间内，在 STJ 中产生大约 50 Bq 的初始每像素活性。植入后，芯片在 TRIUMF 进行清洁和处理，以去除松散和表面沉积的活动，随后运送到劳伦斯利弗莫尔国家实验室 （LLNL）。

衰变的最终状态能谱7在具有液氮和液氦预冷的两级绝热消磁冰箱中，用 STJ 检测器在大约 0.1 K 的温度下在 LLNL 下测量 Be。以 1.25 MSa s 的速率连续读出信号迹线–1使用 PXIe-6356 模数转换器，分辨率为 16 位。为了实时原位监测响应和能量校准，STJ 同时暴露于来自脉冲 355 nm 频率三倍 Nd：YVO 的 3.49865（15） eV 光子4激光以 100 Hz 的速率触发，通过光纤送入绝热退磁冰箱的冷阶段以照亮像素。调整激光强度，使多光子吸收提供 20 eV 至 120 eV 能量范围内的峰值梳。在 108.5 eV 时，激光峰的能量分辨率为 1.85（1） eV，在感兴趣区域残差约为 0.02 eV44,45 元.选定的数据（图 D）。2） 于 2022 年 11 月 6 日采集了大约 20 小时，这是完整的 BeEST III 期数据集的一小部分。

图 2：BeEST 实验和精密能量测量的 STJ 阵列。
图 2
测量的7来自插图中显示的单个 STJ 像素的 20 小时数据的 Li 反冲光谱与文本中描述的四个峰值。L-ES 峰几乎不可见，因为它的总体概率很弱。显示了 K-GS 峰的测量不确定度，并保守地提取为反冲固有能量宽度的上限，σ北，东≤ 2.9 eV，通过文中描述的过程。还显示了校准激光光谱（紫色）的峰梳以进行比较。4 eV 时频谱中的小凸起是由非瞬时衰减诱导的过程引起的，其来源仍在研究中。比例尺，1 毫米。

……

总之，我们提出了一种新的实验概念，用于测量超导传感器内高度局部 EC 衰变稀有同位素的低能反冲子系统。使用这种方法，我们已经能够在电弱核衰变中直接约束最终状态系统的量子定位尺度。在这里，我们报告了反冲能量宽度的保守上限7Li 系统由 EC 衰变7位于 0.1 K σ 的钽基体中北，东≤ 2.9 eV （95% CL）。这对应于7σ 的 Li 核后坐力N，x≥ 6.2 pm，这表明最终状态系统的定位发生在比发生相互作用的原子核大得多的尺度上。通过这次测量，我们还对纠缠中微子的空间宽度设置了相同的限制，即 σν，x≥ 下午 6.2 点，据我们所知，任何 EC ν 的第一个此类限制e源和由 ν 源的直接测量设置的第一个限制。这个限制不利于波包分离，因为它是电子伏特标度 ν 首选的阻尼原因s模型拟合到异常数据。随着对分析和探测器的未来改进计划，该技术可能能够区分弱核衰变中相互竞争的定位模型，并可能提供量子力学的基本测试。