Penning-trap measurement of the $Q$-value of the electron capture in $^{163}\mathrm{Ho}$ for the determination of the electron neutrino mass - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Article Dans Une Revue Nature Phys. Année : 2024

Penning-trap measurement of the $Q$-value of the electron capture in $^{163}\mathrm{Ho}$ for the determination of the electron neutrino mass

Christoph Schweiger
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Martin Braß
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Vincent Debierre
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Menno Door
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Holger Dorrer
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Christoph E Düllmann
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Christian Enss
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Pavel Filianin
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Loredana Gastaldo
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Zoltán Harman
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Maurits W Haverkort
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Jost Herkenhoff
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Christoph H Keitel
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Kathrin Kromer
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Daniel Lange
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Yuri N Novikov
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Dennis Renisch
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Alexander Rischka
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Rima X Schüssler
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Sergey Eliseev
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Klaus Blaum
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Résumé

The investigation of the absolute scale of the effective neutrino mass remains challenging due to the exclusively weak interaction of neutrinos with all known particles in the standard model of particle physics. Currently, the most precise and least model-dependent upper limit on the electron antineutrino mass is set by the KATRIN experiment from the analysis of the tritium {̱e̱ṯa̱}̱-decay. Another promising approach is the electron capture in $^{163}\mathrm{Ho}$, which is under investigation using microcalorimetry within the ECHo and HOLMES collab orations. An independently measured Q-value of this process is vital for the assessment of systematic uncertainties in the neutrino mass determination. Here, we report a direct, independent determination of this $Q$-value by measuring the free-space cyclotron frequency ratio of highly charged ions of $^{163}\mathrm{Ho}$ and $^{163}\mathrm{Dy}$ in the Penning trap experiment \textsc{Pentatrap}. Combining this ratio with atomic physics calculations of the electronic binding energies yields a $Q$-value of $2863.2(0.6)\,\mathrm{eV}/c^{2}$ - a more than 50-fold improvement over the state-of-the-art. This will enable the determination of the electron neutrino mass on a sub-eV level from the analysis of the electron capture in $^{163}\mathrm{Ho}$.

Dates et versions

hal-04480662 , version 1 (27-02-2024)

Identifiants

Citer

Christoph Schweiger, Martin Braß, Vincent Debierre, Menno Door, Holger Dorrer, et al.. Penning-trap measurement of the $Q$-value of the electron capture in $^{163}\mathrm{Ho}$ for the determination of the electron neutrino mass. Nature Phys., 2024, ⟨10.1038/s41567-024-02461-9⟩. ⟨hal-04480662⟩
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