Фундаментальная частица нейтрино возникает в глубинах звезд и реакторов и свободно перемещается в пространстве со скоростью света. Нейтрино классифицируют по «аромату»: электронное, мюонное, тау. Переход между этими состояниями указывает на наличие у частицы массы, но ее точное значение остается неизвестным. Ученые стремятся определить верхний предел массы нейтрино. Новое достижение в этой области получено экспериментальной коллаборацией KATRIN.
KATRIN — установка высотой 70 метров, состоящая из источника электронов и спектрометра. Расположена она 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 Достоверность составляет 90%, а значение равно 0,45 электронвольта. Энергия равна менее одной миллионной части массы электрона.
Знание массы нейтрино важно для физиков, чтобы глубже понять устройство мира и разгадать тайны, например, объяснить скрытую массу во Вселенной. Сам факт наличия массивных нейтрино – это уже вызов, поскольку ранее это не соответствовало Стандартной модели, поэтому ее пришлось пересмотреть.
В эксперименте для определения массы нейтрино применяют. бета-распад Тритий — радиоактивный изотоп водорода, состоящий из двух нейтронов и одного протона. Во время бета-распапа нейтрон в ядре превращается в протон, испускает электрон и электронное антинейтрино — то есть электронное нейтрино с другими квантовыми свойствами.
Электронное антинейтрино слабо взаимодействует с веществом, поэтому его нельзя наблюдать прямо. В процессе распада выделяется определённое максимальное количество энергии, которое распределено между электроном и электронным антинейтрино. Измеряют энергию электрона, затем анализируют энергетический спектр в поисках малейших отклонений спектральной формы в области около конечной точки спектра.
Эксперимент, казавшийся простым, привел к многочисленным сложностям, которые удалось преодолеть. Ученые проанализировали измерения энергии в тридцати шести миллионах электронов, собранных за 259 дней работы с 2019 по 2021 год. В научной статье назван верхний предел массы нейтрино — 0,45 электронвольта — как наиболее точный.
Эксперимент KATRIN по измерению массы нейтрино завершится в 2025 году, когда будет собрано тысяча дней данных. После финального анализа физики планируют получить массу нейтрино равную 0,3 электронвольта, значение рассчитанное теоретически. Такой объем информации поможет проверить гипотезу о существовании фундаментальных частиц, выходящих за рамки Стандартной модели: например, легкого стерильного нейтрино и реликтового нейтрино, появившегося в начале Вселенной.
Планируется модернизация установки KATRIN, однако в мире возводятся и другие сооружения для определения массы нейтрино. Проект-8, Квантовые технологии для исследования массы нейтрино, Обсерватория Понтекорво по тритием для изучения лёгких, ранневселенных массивных нейтрино (ПТОЛЕМЕЙ), Электронный захват в Holmium-163 (ECHo). .