Физика

Фундаментальная частица нейтрино рождается в недрах звезд и реакторов и беспрепятственно путешествует в пространстве на световой скорости. Нейтрино различают по «аромату»: электронное, мюонное, тау. Переключение между этими состояниями говорит о наличии у частицы массы, но ее точное значение неизвестно. Ученые пытаются нащупать ее верхний предел. Новый результат в этом направлении получила коллаборация эксперимента KATRIN.

KATRIN — 70-метровая установка, которая состоит из источника электронов и спектрометра и расположена на юге Германии. Аббревиатура расшифровывается как «Эксперимент с тритием и нейтрино в Карлсруэ». Коллаборация KATRIN сообщила в статье, опубликованной в журнале Science, что новая, наиболее точная оценка массы нейтрино с уровнем достоверности 90 процентов — 0,45 электронвольта. Это меньше одной миллионной части массы электрона.

Физикам обязательно нужно знать массу нейтрино, чтобы лучше понимать устройство мира и решить волнительные загадки: например, объяснить скрытую массу во Вселенной. Само по себе наличие массивного нейтрино — уже вызов, ведь это не вписывалось ранее в Стандартную модель, поэтому ее пересмотрели.

Для вычисления массы нейтрино в эксперименте используют бета-распад трития — радиоактивного изотопа водорода с двумя нейтронами и одним протоном. Когда происходит бета-распад, нейтрон в ядре превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино — то же, что электронное нейтрино, только с другими квантовыми свойствами.

Электронное антинейтрино слабо взаимодействует с веществом, поэтому его нельзя наблюдать напрямую. Но в процессе распада выделяется определенное максимальное количество энергии, которое распределено между электроном и электронным антинейтрино. Энергию электрона аккуратно измеряют, затем анализируют энергетический спектр в поисках малейших отклонений спектральной формы в регионе вокруг конечной точки спектра.

Несмотря на кажущуюся простоту, эксперимент встречает множество сложностей, которые удалось преодолеть. Ученые проанализировали измерения энергии в 36 миллионов электронов, накопленные за 259 дней работы с 2019 по 2021 год. Названный в этой научной статье верхний предел массы нейтрино — 0,45 электронвольта — наиболее точный.

Эксперимент по измерению массы нейтрино на KATRIN завершится в 2025 году, по достижении тысячи дней сбора данных. После заключительного анализа физики ожидают выйти на массу нейтрино в 0,3 электронвольта, полученную теоретически. Кроме того, такой объем данных поможет проверить гипотезу о существовании фундаментальных частиц, выходящих за пределы Стандартной модели, — например легкого стерильного нейтрино, а также реликтового нейтрино, рожденного во время начала Вселенной.

KATRIN планируют модернизировать, но в мире строят и другие установки для измерения массы нейтрино: Project-8, Quantum Technologies for Neutrino Mass (QTNM), Pontecorvo Tritium Observatory for Light, Early-Universe, Massive-Neutrino Yield (PTOLEMY), Electron capture in Holmium-163 (ECHo).