Сверхточный эксперимент: нейтрино в 500 тысяч раз легче электрона
С тех пор, как учёные подтвердили существование нейтринных осцилляций — превращений различных видов нейтрино друг в друга и в антинейтрино — стало понятно, что эти частицы имеют массу. Однако, какова же точная масса нейтрино, до сих пор остаётся неизвестным.
Международный эксперимент KATRIN, проводимый в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), позволил ограничить вероятную массу нейтрино до рекордно низкого значения — 0,8 электронвольта (эВ).
Напомним, что физики исчисляют массу элементарных частиц в единицах энергии. Массу и энергию связывает легендарная и всем известная формула E = mc2.
Новый верхний предел для массы нейтрино — это, конечно, не сама точная масса. Но она тоже очень важна как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Кроме того, теперь мы точно знаем, что нейтрино, как минимум, в 500 тысяч раз легче электрона.
Загадочные нейтрино, пожалуй, интересуют учёных больше всех остальных элементарных частиц во Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их очень малая, но ненулевая масса указывает на новые физические явления, выходящие за рамки Стандартной модели. Без измерения возможного разброса масс нейтрино наше понимание Вселенной так и останется неполным.
Коллаборация KATRIN, созданная в сотрудничестве с партнёрами из шести стран, поставила перед собой цель создать самую чувствительную в мире шкалу измерения электронного антинейтрино.
В эксперименте использовался бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода. Масса нейтрино определяется по распределению энергий электронов, высвобождаемых в процессе распада.
Это требует значительных технологических возможностей: на 70-метровом объекте находится самый мощный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии электронов, испускаемых при распаде, с беспрецедентной точностью.
С начала измерений в 2019 году качество научных данных, получаемых коллаборацией, постоянно улучшалось.
"KATRIN – это эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он работает как часы", – с энтузиазмом заявляет руководитель проекта Гвидо Дрекслин (Guido Drexlin) из KIT.
Углублённый анализ собранных данных требовал от международной аналитической группы слаженных усилий. Каждое влияние, каким бы слабым оно ни было, должно было быть исследовано в деталях.
Только с помощью трудоёмких и сложных вычислений учёные смогли исключить систематическую погрешность результата из-за процессов, влияющих на измерения.
Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование, основанное на исчезающе малой массе нейтрино, идеально совпадают: так исследователи смогли точно определить новый верхний предел массы нейтрино, равный 0,8 эВ.
Это первый раз, когда прямой эксперимент с массой нейтрино вошёл в космологически и физически важный диапазон масс ниже одного электронвольта, где, как предполагается, находится абсолютная шкала масс нейтрино.
Сопредседатели и координаторы анализа KATRIN очень оптимистично смотрят в будущее. Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. Чтобы реализовать весь потенциал этого уникального эксперимента, учёные постоянно разрабатывают и внедряют улучшения, которые позволяют ещё больше снизить влияние фоновых процессов.
Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы TRISTAN, которая позволит KATRIN с 2025 года приступить к поиску стерильных нейтрино с массами в килоэлектронвольтном диапазоне. Они, к слову, являются кандидатами на звание частиц загадочной тёмной материи.
Результаты новой работы были опубликованы в научном журнале Nature Physics.
Ранее мы писали о том, как нейтрино впервые засекли на Большом адронном коллайдере, а ещё о том, что сразу два крупнейших нейтринных телескопа зафиксировали следы нейтрино, исходивших предположительно из одного источника.
Также мы рассказывали об эксперименте, который должен выяснить, является ли нейтрино своей собственной античастицей.
Больше новостей из мира науки вы найдёте в разделе "Наука" на медиаплатформе "Смотрим".