Международный эксперимент KATRIN достиг важного рубежа, установив новый верхний предел массы одной из самых трудно обнаруживаемых частиц, превышающий один электронвольт.
Нейтрино — одни из самых неуловимых элементарных частиц во Вселенной. В космологии эти фундаментальные частицы играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, таких как галактики. В то время как в физике элементарных частиц их крошечная, но ненулевая масса указывает на новые физические явления, выходящие за рамки существующих сегодня теорий. Без точного измерения масс нейтрино наше понимание Вселенной останется неполным.
Международный эксперимент KATRIN взялся за решение этой сложной задачи. Karlsruhe Tritium Neutrino ExperimentЭксперимент по определению массы нейтрино проводится на площадке KIT Campus North Технологического института Карлсруэ (Германия). Для этого используют бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода с двумя дополнительными нейтронами в ядре и периодом полураспада более 12 лет.
При бета-распаде трития возникают электрон и антинейтрино, масса которого определена в эксперименте KATRIN. Для этого измеряют энергетическое распределение электронов. Эксперимент требует значительных технологических усилий: уникальная установка для работы с тритием размещается в 70-метровом экспериментальном ангаре. Windowless Gaseous Tritium Source, а также гигантский 200-тонный спектрометр для измерения энергии электронов распада с небывалой точностью.
С начала научных измерений в 2019 году точность увеличивалась постоянно. «KATRIN — эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он функционирует безупречно», — делится Гвидо Дрекслин. Guido DrexlinРуководитель проекта, специалист Технологического института Карлсруэ, выступающий одним из двух участников эксперимента.
Другой представитель — Кристиан Вайнхаймер (Christian WeinheimerСотрудник Университета Мюнстера добавляет, что повышение мощности сигнала и снижение фонового шума стали ключевыми шагами на пути к новому результату.
Тщательный анализ собранных данных потребовал большой работы у международной аналитической группы, возглавляемой двумя ее руководителями: Сюзанной Мертенс и … Susanne Mertens), сотрудник Института физики Макса Планка и Технического университета Мюнхена, а также Магнус Шлёссер. Magnus SchlösserИз Технологического института Карлсруэ. «Влияние, каким бы незначительным оно ни было, должно быть изучено детально и устранено. Только таким трудоемким подходом мы смогли исключить систематическую погрешность нашего результата из-за искажающих процессов», — поясняют координаторы по анализу данных.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature PhysicsЭкспериментальные данные первого года измерений совмещены с результатами 2021 года, что позволило определить новый верхний предел массы нейтрино — 0,8 электронвольта. Прямой эксперимент по измерению массы нейтрино впервые вошёл в космологически и физически значимый диапазон масс — субэлектронвольт (менее одного электронвольта), где предположительно находится фундаментальная шкала масс нейтрино.
В научном сообществе физиков элементарных частиц наблюдается волнение по поводу того, что эксперимент KATRIN достиг отметки в один электронвольт, отмечает эксперт по нейтрино Джон Вилкерсон. John Wilkerson, работающий в Университете Северной Каролины, возглавляет исполком и участвовал в проведении исследования.
Измерения массы нейтрино продолжатся до конца 2024 года. За это время команда эксперимента KATRIN будет собирать данные о событиях бета-распада и снижать уровень шума, например, оптимизировав конструкцию и электромагнитное поле спектрометра.
Дальнейшее развитие проекта KATRIN будет определять новая система детекторов (TRISTAN), позволяющая с 2025 года искать теоретические «стерильные» нейтрино с массами в килоэлектронвольт-диапазоне. Стерильные нейтрино — кандидаты на роль темной материи, так как, подобно ей, взаимодействуют с материей только гравитационно, в отличие от обычных активных нейтрино, участвующих также в слабом и гравитационном взаимодействиях.