近日，中國科學院高能物理研究所衡月昆研究員與其合作博士后付穎創新性地提出利用人造同位素鏑-159(159Dy)的軌道電子俘獲過程直接測量電子中微子質量的實驗構想，深入分析了靈敏度、不確定性和潛在本底，預期測量精度可以達到亞電子伏(sub-eV)水平，有望為破解中微子質量之謎提供新路徑。該項研究成果以“Directly determine the electron-neutrino mass with sub-eV sensitivity by the decay of 159Dy”為題在《科學通報》(Science Bulletin)2025年8月第16期上發表，并在Lepton-Photon 2025國際會議上給出口頭報告。

中微子質量測量是一個長期懸而未決的重大科學難題，對粒子物理、天體物理及宇宙學具有重要意義。放射性核素的β衰變或軌道電子俘獲(EC)能譜是直接測量中微子質量的主要方式。其中，β衰變能譜末端的衰變率正比于(ΔE/Q)3，ΔE為末端能量區間，Q為衰變能);EC過程能譜末端的衰變率正比于(ΔE/Q)2。因此，在相同衰變統計量的情況下，衰變能越低，能譜末端可以產生越多的事例，從而顯著提升測量靈敏度。當前世界上直接測量電子中微子質量的實驗方案主要分兩類：一類基于氚(衰變能18.6 keV)的β衰變過程，采用磁譜儀(如KATRIN實驗)或回旋輻射發射光譜法(如Project 8實驗);另一類基于鈥-163(衰變能2.8 keV)的軌道電子俘獲過程，采用超導探測器技術(如HOLMES實驗和ECHO實驗)。

本研究聚焦于衰變能極低(僅1.18 keV)的鏑-159至鋱-159的軌道電子俘獲過程，提出利用極優能量分辨率的超導探測器測量該過程衰變能譜(見圖1)。文章通過蒙特卡洛模擬，詳細分析了鏑-159同位素的衰變能譜，得到了預期的中微子質量上限;并進一步計算了能譜參數誤差對中微子質量測量的不確定性，分析了多種實驗本底的影響，最終預期在 90% 置信水平下可實現小于 0.2 eV的電子中微子質量靈敏度(見圖2)。該實驗構想有望成為中微子質量測量的有力競爭者。

圖1：不同中微子質量下的鏑-159軌道電子俘獲能譜

圖2：90%置信度中微子質量上限靈敏度隨探測器數量的變化(實驗參數見圖例)