Обширное исследование KATRIN, нацеленное на выявление так называемых стерильных нейтрино, не зафиксировало присутствие этой гипотетической частицы. Данные, полученные международной группой исследователей, являются самыми точными из когда-либо достигнутых и ставят под сомнение ряд предыдущих работ, предполагавших возможность существования такой частицы.

Нейтрино— одни из самых неуловимых элементарных компонентов Вселенной. Миллиарды нейтрино, возникающих в результате ядерных реакций или космических явлений, ежесекундно проходят сквозь тело каждого человека; при этом они практически не взаимодействуют с окружающим веществом. Стандартная модель физики частиц описывает три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Способность этих частиц к осцилляциям – изменению типа друг на друга — указывает на то, что они обладают массой. Однако в ряде экспериментов, например, связанных с ядерными реакторами, были замечены небольшие отклонения в поведении нейтрино. Это привело к предположению о наличии четвертого, «стерильного» нейтрино, которое взаимодействовало бы с материей еще менее интенсивно, чем известные типы. Обнаружение такой частицы могло бы кардинально изменить представления современной физики и, возможно, пролить свет на природу темной материи.

Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), размещенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, был разработан специально для проверки этой гипотезы. Это 70-метровая установка, использующая тритий для генерации электронов посредством бета-распада. Высокоточный спектрометр измеряет энергию этих электронов. В случае существования стерильного нейтрино это должно было бы проявиться в виде характерного «сгиба» на графике распределения энергии.

В процессе анализа, продолжавшемся 259 дней с 2019 по 2021 год, ученые зарегистрировали 36 миллионов электронов. Точность измерений достигла уровня доли процента, что позволило минимизировать влияние помех. Тем не менее, в полученных данных отсутствовали какие-либо свидетельства существования легкого стерильного нейтрино. Этот вывод противоречит результатам некоторых предыдущих исследований, включая Neutrino-4.

По словам руководителя аналитического отдела Тьерри Ласерра из Института ядерной физики им. Макса Планка, полученные данные KATRIN находятся в полном соответствии с результатами других экспериментов, таких как реакторный проект STEREO. Объединенные усилия этих работ позволяют достоверно исключить вероятность существования легких стерильных нейтрино, способных оказывать существенное влияние на известные типы частиц.

Несмотря на отсутствие значимых результатов в настоящий момент, поиск загадочных элементарных составляющих материи продолжается. Ожидается, что к 2025 году KATRIN соберет объем информации во шесть раз превышающий текущий, что значительно улучшит качество измерений. Кроме того, запланировано масштабное обновление оборудования под названием TRISTAN в 2026 году. Это позволит перейти на новый уровень исследований и начать поиск стерильных нейтрино с большей массой, которые потенциально могут являться компонентом темной материи.

Исследование было опубликовано 3 декабря в научном журнале Nature.