可从放射性气体中分辨出单电子的新型桌面粒子探测器

麻省理工学院（MIT）物理学家开发出了一款可从放射性气体中分辨出单电子的新型桌面粒子探测器。

气体衰变并释放出电子，探测器利用磁体可在磁瓶中将其俘获。无线天线获得由这些电子发射出的极微弱信号，该信号可用于绘制电子在几毫秒内的精确活动。

研究团队和太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory）、华盛顿大学（University of Washington）、加州大学圣芭芭拉分校（University of California at Santa Barbara，UCSB）、以及来自其他地方的研究人员一起记录了氪气（krypton，Kr）中超过100,000个电子的活动。

绝大多数被观察的电子都具有特征行为：随着放射性氪气衰变，发射出以基准频率（逐渐消失）振动的电子；当电子撞击放射性气体原子时，该频率再次达到峰值。探测器中电子像台球一样撞击多原子，其能量呈现阶梯式的跳跃图案。

“可以绘制电子的频率，并看到这个垫子突然进入无线天线中。”MIT物理系副教授Joe Formaggio说，“随着时间推移，频率发生改变，直观的说是发生鸣叫。因此称之为无线电波。”

Formaggio说该团队发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的结果向难以捉摸的目标迈出了重要的一步：中微子质量的测量。

幽灵粒子（A ghostly particle）

中微子是宇宙中更加神秘的基本粒子：每秒钟有数十亿中微子穿过我们身体中的每一个细胞，而这些幽灵般的粒子非常难以检测，因为它们似乎不予任何普通物质相互作用。科学家对中微子质量已经有了一个理论极限的估计，但仍无法进行精确的检测。

“我们已经将其质量逼到了死角，但就是无法测量。”Formaggio说，“本质上是测量电子的能量——中微子特征。”

正如Formaggio的解释，诸如氚（tritium）的放射性原子发生衰变，将变成氦（helium）的同位素，在这个过程中同时释放出一个电子和一个中微子。所有释放粒子的能量叠加等于中子的原始能量。因此测量电子的能量就能反应出中微子的能量，从而反应出中微子的质量。

科学家认为氢（hydrogen）的放射性同位素氚是获得精确测量的关键。作为气体，氚以一个能够相对容易观察其电子副产品的速率进行衰变。

德国卡尔斯鲁厄（Karlsruhe, Germany）研究人员希望采用大规模光谱仪的KATRIN（卡尔斯鲁厄氚中微子实验Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment）装置测量氚中的电子。由氚衰变产生的电子穿过光谱仪，按照能级的不同被过滤。刚完成的实验可以获得单电子的测量，但成本昂贵。

“KATRIN中，硅探测器检测到电子，这意味着电子进入晶体，并发生许多随机的事情，从根本上破坏电子。”该论文合作作者、物理学研究生Daniel Furse说，“我们仍然想要测量电子的能量，但我们希望是以一种非破坏性的方式进行。”

该团队的设置在尺寸上有一个额外的优势。探测器特别适合于放置在桌面上，其中检测电子的空间比邮票还小。相比之下，卡尔斯鲁厄的城市街道几乎都无法容下KATRIN的光谱仪。

调谐（Tuning in）

Furse和Formaggio命名为“Project 8”的探测器是基于几十年前称之为回旋辐射现象开发的，其中带电粒子（如电子）在磁场中发射无线电波。结果表明，电子以类似于军用无线通信的频率发射这种辐射

“具有与军用相同的26兆赫的频率。”Formaggio说，“结果，电子的基线频率变化很小。所以我们说，‘为什么不观察直接发射的辐射（电子）呢？’”

Formaggio和之前的博士后、现UCSB物理学助理教授Benjamin Monreal认为如果可以调谐到该基线频率，将可以俘获放射性气体衰变发射出的电子，并在磁场中测量其能量。

“相比于任何其他方法而言，如果可以测量这种无线信号的频率，将可以更精确的测量其能量。”Furse说，“问题是，很难在极短的时间内观察到如此弱的信号，这也是为什么从未有人做到过的原因。”

经过5年断断续续的研究，研究团队最终搭建出了一台精确的探测器。一旦研究人员将探测器打开，在试验的头100毫秒时间内将能够记录下单个电子，而分析将花费更长的时间。

“软件处理的速度太慢，以至于我们认为发生些有意思的事情，突然间，当事情开始发生时，文件变大了很多。”Formaggio回忆到。

他说迄今为止，在氪气方面获得的测量精度已经允许研究团队转向氚的研究（Formaggio认为在接下来的一两年内可以实现），为测量中微子质量铺平了道路。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜     校正：摩天轮