近日，中国科学院高能物理研究所衡月昆研究员与其合作博士后付颖创新性地提出利用人造同位素镝-159(159Dy)的轨道电子俘获过程直接测量电子中微子质量的实验构想，深入分析了灵敏度、不确定性和潜在本底，预期测量精度可以达到亚电子伏(sub-eV)水平，有望为破解中微子质量之谜提供新路径。该项研究成果以“Directly determine the electron-neutrino mass with sub-eV sensitivity by the decay of 159Dy”为题在《科学通报》(Science Bulletin)2025年8月第16期上发表，并在Lepton-Photon 2025国际会议上给出口头报告。

中微子质量测量是一个长期悬而未决的重大科学难题，对粒子物理、天体物理及宇宙学具有重要意义。放射性核素的β衰变或轨道电子俘获(EC)能谱是直接测量中微子质量的主要方式。其中，β衰变能谱末端的衰变率正比于(ΔE/Q)3，ΔE为末端能量区间，Q为衰变能);EC过程能谱末端的衰变率正比于(ΔE/Q)2。因此，在相同衰变统计量的情况下，衰变能越低，能谱末端可以产生越多的事例，从而显著提升测量灵敏度。当前世界上直接测量电子中微子质量的实验方案主要分两类：一类基于氚(衰变能18.6 keV)的β衰变过程，采用磁谱仪(如KATRIN实验)或回旋辐射发射光谱法(如Project 8实验);另一类基于钬-163(衰变能2.8 keV)的轨道电子俘获过程，采用超导探测器技术(如HOLMES实验和ECHO实验)。

本研究聚焦于衰变能极低(仅1.18 keV)的镝-159至铽-159的轨道电子俘获过程，提出利用极优能量分辨率的超导探测器测量该过程衰变能谱(见图1)。文章通过蒙特卡洛模拟，详细分析了镝-159同位素的衰变能谱，得到了预期的中微子质量上限;并进一步计算了能谱参数误差对中微子质量测量的不确定性，分析了多种实验本底的影响，最终预期在 90% 置信水平下可实现小于 0.2 eV的电子中微子质量灵敏度(见图2)。该实验构想有望成为中微子质量测量的有力竞争者。

图1：不同中微子质量下的镝-159轨道电子俘获能谱

图2：90%置信度中微子质量上限灵敏度随探测器数量的变化(实验参数见图例)