摘要：科学家们和工程师们首次直接检测到单个电子的回旋辐射信号。研究人员利用一种特殊的光谱方法来检测电子的能量，每次仅测量一个电子。这种方法为今后测量中微子的质量提供了新方法。中微子作为一种亚原子粒子，质量至多仅是质子的二十亿分之一。

此图谱显示了项目8首个检测到的电子。横轴表示时间，纵轴表示频率，颜色代表能量。由于电子是从气体分子中散射出的，导致最终的回旋辐射发射频率稍有不同，所以从图中可以观察到多个分散的“轨道”。每个轨道的斜率说明了回旋辐射使得电子的能量正在逐渐丧失。版权：太平洋西北国家实验室

在爱因斯坦提出相对论也就是E=MC²的前一年，物理学家就预言了回旋辐射的存在。科学家预测这种辐射与电子被困在磁场中做圆周运动有关。上个世纪以来，科学家们从大量的电子集合中观察到了回旋辐射，但从未在单个电子上观察到这种辐射。

直到现在，一群来自6个研究机构、近30位科学家和工程师们在4月20日的物理评论快报（Physical Review Letters）报道了他们首次观察到单个电子的回旋辐射。他们采用一种特殊的光谱方法来测量单个电子的能量。

在为首次探测到单个电子的回旋辐射而感到兴奋之余，上述检测方法可能为测量中微子的质量提供了新方法，中微子作为一种亚原子粒子，质量至多仅是质子的二十亿分之一。

“当今物理学中的一大难题就是中微子的质量还是未知数，”太平洋西北国家实验室能源部的首席物理学家Brent VanDevender说道。“宇宙中充满了中微子，所以这些中微子的质量究竟是多少就很重要，就算是质量仅为质子的二十亿分之一，它们也将超过宇宙中的常见物质如恒星、行星、尘埃等，对大尺度结构如星系的形成产生影响”。

原子的内部

物理学家尝试着了解宇宙的最小组成。最典型的，原子—它们构成了所有的物质—由原子核和周围的电子云组成。原子核由带正电的质子以及不带电的中子构成，赋予原子重量。电子带负电，绕原子核旋转。、

上述粒子看起来并不相关联，但是不带电的中子有时会通过β 衰变而成为质子，释放出电子和中微子。

由于中微子极其微小，而且不带电，因此很难检测到它们。目前，科学家们已经确定了中微子的最大质量。拿中微子的质量与中子相比，就如同把蹒跚学步的孩童置于金字塔之前一般。

目前直接检测中微子重量的方法正在研究中，例如在德国进行的KATRIN核物理实验。这些实验耗资巨大，拥有上百名研究人员，分析仪器也十分巨大，大约有一间屋子大小。即便如此，检测到中微子的可能性也很渺小。

大约在五年前，该项研究的两位共同作者提出：也许不用直接检测中微子，甚至不用检测电子，而是采用检测电子的回旋辐射这种能反应电子能量的迂回战术就能解决上述问题。

如果检测足够精确的话，当含有两个额外中子的氚原子β 衰变为氦-3时，可以将氦-3和一个电子的能量之和与衰变前氚原子的相比，如果能量存在差别，便可推测出中微子的质量。

通过能量就能测出质量吗？答案是肯定的，这要感谢爱因斯坦和他的狭义相对论。由于能量与质量之间存在联系，该团队便能通过检测能量的方式得到中微子的质量。在吸引了若干研究人员加入项目8后，该团队提出了一种名为回旋辐射发散光谱的新方法，并将其应用于本次研究中。

令人影响深刻的衰变

该团队使用的仪器如同将几个啤酒桶叠起来一般大小，远远小于一间房间。为了提高成功率，他们从可能的最佳条件入手，选用了一种能提供清晰并简单易读光谱信息的原子，该原子名为氪83，是一种亚稳态氪原子。它能够衰变，产生大量电子供他们在磁场中捕捉。

当单个电子被困在磁场中时，研究人员检测该电子做回旋运动时的速度，从而得到电子的能量。他们预计氪衰变得到的电子能量为30.4千电子伏，，检测结果精确度为目标的0.05%。上述研究结果虽不足以推测出中微子的质量，却是一个非常好的起点。

“中微子的质量极小，所以光谱必须极为精细，我们需要比现在提高十倍以上”。 VanDevender说。

在此次原始实验中，他们并没有预计足够的精确度来检测中微子，他说，所以现在最激动人心的结果就是检测到了回旋辐射。

“尽管从没有人质疑过它的存在，但是能第一个观察到它的基本属性实在是太棒了。自从1940年预言了它的存在，这个问题就一直悬而未决，这110年来人们费劲心机来确认这一基本粒子。”VanDevender说道。

β测试

VanDevender预计大约还需要十年的时间来检测出中微子的质量，而且有可能KATRIN核物理实验会率先取得结果。下一步的任务就是用氚原子来重复上述氪原子衰变实验。

一旦他们精通于此，他们就会设法增加氚的量，收集更多信息，以便推测出中微子质量。

除了太平洋西北国家实验室，以下机构的研究人员也为此研究做出了贡献：弗吉尼亚州夏洛茨维尔国家射电天文观测台、加州大学圣塔芭芭拉分校、 华盛顿大学西雅图分校、 麻省理工学院、剑桥大学以及德国卡尔斯鲁厄理工学院、Kernphy研究所。

上述研究受到科学办公室能源部、华盛顿大学皇家研究基金、麻省理工学院韦德奖学金、国家科学基金会和太平洋西北国家实验室的支持。

新材料在线编译整理——翻译：李湖燕     校正：摩天轮