新的台式探测器可识别单电子

对“零事件”的三维解释。随着电子失去能量，频率缓慢增加，在电子从陷阱中弹出之前，在六个或可能七个可见频率跃变中的第一个跃变结束。

新型台式粒子探测器能够识别放射性气体中的单电子，这是朝着测量中微子质量迈出的一大步。

随着气体的衰减并释放出电子，检测器使用磁铁将其捕获在磁性瓶中。然后，无线电天线会拾取电子发出的非常微弱的信号，这些信号可用于在几毫秒内绘制电子的精确活动图。

该小组与太平洋西北国家实验室，华盛顿大学，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校（UCSB）以及其他地方的研究人员合作，记录了gas气中100,000个以上的单个电子的活度。

观察到的大多数电子表现为特征模式：随着放射性k气的衰变，它发出的电子以基线频率振动，然后逐渐消失。每当电子撞击放射性气体原子时，该频率就会再次达到峰值。当电子对着探测器中的多个原子进行乒乓球运动时，其能量似乎呈阶梯状跳跃。

麻省理工学院物理学副教授乔·福马焦（Joe Formaggio）说：“我们实际上可以对电子的频率进行成像，然后看到该电子突然进入我们的无线电天线。”“随着时间的流逝，频率会发生变化，并且实际上会逐渐增大。因此，这些电子在无线电波中发出chi声。”

福马焦说，该小组的结果发表在《物理评论快报》上，是朝着更难以实现的目标迈进了一大步：测量中微子的质量。

幽灵般的粒子

中微子是宇宙中更神秘的基本粒子之一：每秒有数十亿个粒子通过我们身体的每个细胞，但是这些幽灵般的粒子很难被发现，因为它们似乎并不与普通物质相互作用。科学家已经为中微子质量设定了理论极限，但研究人员尚未精确检测到它。

“我们（质量）已经陷入困境，但是还没有测量出来，”福马焦说。“游戏的名称是测量电子的能量-这是告诉您有关中微子的签名。”

正如福马焦解释的那样，当tri等放射性原子衰变时，它变成氦的同位素，并且在此过程中还释放出电子和中微子。释放的所有粒子的能量加起来就是母体中子的原始能量。因此，测量电子的能量可以照亮中微子的能量，进而照亮质量。

科学家们同意，,是氢的放射性同位素，是获得精确测量值的关键：作为一种气体，tri的腐烂速度使得科学家可以相对容易地观察到其电子副产物。

德国卡尔斯鲁厄的研究人员希望使用大型光谱仪测量tri中的电子，作为名为KATRIN（卡尔斯鲁厄Tri中微子实验）的实验的一部分。由the的衰变产生的电子通过光谱仪，该光谱仪根据其不同的能级对它们进行过滤。正在进行的实验可能获得单个电子的测量值，但要付出一定的代价。

“在KATRIN中，电子是在硅检测器中检测到的，这意味着电子会粉碎到晶体中，并且会发生许多随机事件，从本质上破坏了电子，”物理学研究生Daniel Furse说。作者在纸上。“我们仍然想测量电子的能量，但是我们以一种非破坏性的方式来进行测量。”

小组的设置还有一个额外的优势：规模。该检测器基本上可放在桌面上，并且检测电子的空间小于邮票。相比之下，KATRIN的光谱仪在交付给卡尔斯鲁厄后，几乎无法穿过城市的街道。

调入

Furse和Formaggio的探测器（一项称为“ Project 8”的实验）基于数十年来被称为回旋加速器辐射的现象，其中带电粒子（如电子）在磁场中发射无线电波。事实证明，电子以类似于军事无线电通信的频率发射这种辐射。

福马焦说：“这与军方使用的频率相同-26 GHz。”“事实证明，如果电子有能量，则基线频率会非常微小地变化。所以我们说，“为什么不看[电子]直接发射的辐射呢？”

Formaggio和现任UCSB物理学助理教授，前博士后本杰明·蒙瑞尔（Benjamin Monreal）认为，如果它们能够调谐到该基线频率，则它们可以在从衰变的放射性气体中射出时捕获电子，并在磁场中测量其能量。

“如果您可以测量该无线电信号的频率，则可以比使用任何其他方法更准确地测量能量，” Furse说。“问题是，您在很短的时间内就看到了这种非常微弱的信号，很难看到，这就是为什么以前没有人这样做过的原因。”

经过五年的努力，该小组终于能够制造出准确的探测器。一旦研究人员打开了检测器，他们就可以在实验的前100毫秒内记录单个电子，尽管分析花费了更长的时间。

“我们的软件处理事情的速度很慢，我们可以说出有趣的事情正在发生，因为突然之间，随着这些事情开始出现，我们的文件大小变大了，” Formaggio回忆道。

他说，迄今为止在k气中获得的测量结果的准确性促使该团队转向使用tri气。Formaggio说，这一目标可能在未来一两年内实现，并为测量中微子的质量铺平了道路。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的技术人员史蒂芬·埃利奥特（Steven Elliott）说，该小组的新型探测器“代表了非常重要的结果。”为了使用检测器测量中微子的质量，埃利奥特补充说，该小组将不得不进行多项改进，包括开发一个更大的电池以容纳更多的tri。

“这是迈出下一代实验的第一步，尽管是非常重要的一步，”对这项研究没有贡献的埃利奥特说。“结果，中微子社区对该实验的概念和执行过程印象深刻。”

这项研究部分由能源部和国家科学基金会资助。

出版物：D.M.阿斯纳等。（项目8合作），“相对论回旋加速器辐射的单电子检测和光谱”，物理。莱特牧师114、162501 – 2015年4月20日发布；土井：10.1103 / PhysRevLett.114.162501

研究报告的PDF副本：相对论回旋加速器辐射的单电子检测和光谱

图像：由研究人员礼貌