Эксперимент KATRIN, международный по своей природе, достиг значительного прогресса — удалось установить новый верхний предел массы одной из самых трудноуловимых частиц, превысивший отметку в один электронвольт. Это достижение приближает возможность точного определения массы нейтрино, что может помочь космологам разобраться в природе темной материи, а также предоставит физикам элементарных частиц основания для пересмотра Стандартной модели.
Нейтрино — одни из самых трудноуловимых элементарных частиц, существующих во Вселенной. В космологии эти фундаментальные частицы играют ключевую роль в создании крупномасштабных структур, например галактик. В физике элементарных частиц их небольшая, но все же имеющаяся масса указывает на новые физические явления, которые не могут быть объяснены современными теориями. Для полного понимания Вселенной необходимо точно измерить массы нейтрино.
Международный эксперимент KATRIN был разработан для решения этой сложной задачи ( Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) эксперимент проводится на площадке KIT Campus North Технологического института Карлсруэ, расположенном в Германии. Массу слабо взаимодействующих с веществом нейтрино определяют с помощью бета-распада трития. Тритий – это нестабильный изотоп водорода, содержащий два дополнительных нейтрона в ядре, и обладающий периодом полураспада, превышающим 12 лет.
При бета-распаде трития выделяются электрон и электронное антинейтрино, масса которого является целью эксперимента KATRIN. Для его проведения и осуществляется измерение энергетического распределения электронов, что сопряжено со значительными технологическими трудностями. В 70-метровом экспериментальном ангаре расположена уникальная установка, предназначенная для работы с тритием ( Windowless Gaseous Tritium Source), а также мощный спектрометр массой 200 тонн, предназначенный для измерения энергии электронов распада с невиданной ранее точностью.
С 2019 года, когда начались научные измерения, их точность неуклонно возрастала. «KATRIN — это эксперимент, требующий передовых технологий, и теперь он функционирует безупречно», — воодушевленно отмечает Гвидо Дрекслин ( Guido Drexlin), руководитель проекта, сотрудник Технологического института Карлсруэ и один из двух участников эксперимента.
Другой представитель — Кристиан Вайнхаймер (Christian Weinheimer) сотрудник Университета Мюнстера — добавляет: «Для получения нового результата ключевыми оказались увеличение мощности сигнала и уменьшение фонового шума».
Для проведения детального анализа полученных данных международной аналитической группе, возглавляемой двумя ее координаторами — Сюзанной Мертенс ( Susanne Mertens), сотрудником Института физики Макса Планка и Технического университета Мюнхена, и Магнусом Шлёссером ( Magnus Schlösser) любое воздействие, даже незначительное, требует тщательного изучения и устранения. Лишь такой кропотливый метод позволил нам исключить систематическую ошибку, вызванную искажающими факторами», — объясняют координаторы по анализу данных.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, данные, полученные в ходе измерений в первый год, были объединены с результатами 2021 года, что позволило установить новый верхний предел массы нейтрино – 0,8 электронвольта. Впервые прямой эксперимент по определению массы нейтрино достиг космологически и физически значимого диапазона субэлектронвольт (менее одного электронвольта), где, по предположениям, находится фундаментальная шкала масс нейтрино.
«Преодоление отметки в один электронвольт в эксперименте KATRIN вызвало большой интерес у специалистов в области физики элементарных частиц», — отмечает эксперт по нейтрино Джон Вилкерсон ( John Wilkerson), сотрудник Университета Северной Каролины, председатель исполнительного совета и один из авторов исследования.
Исследования массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. К этому моменту группа, проводящая эксперимент KATRIN, планирует не только увеличить объем собранных данных о событиях бета-распада, но и уменьшить уровень помех, в частности, путем совершенствования конструкции и электромагнитного поля спектрометра.
Новая детекторная система (TRISTAN) сыграет ключевую роль в будущем развитии проекта и позволит KATRIN с 2025 года начать поиск гипотетических «стерильных» нейтрино, обладающих массой в килоэлектронвольт-диапазоне. Эти нейтрино рассматриваются как потенциальные кандидаты на роль темной материи. В отличие от обычных нейтрино, которые участвуют в слабых и гравитационных взаимодействиях, стерильные нейтрино взаимодействуют с материей исключительно гравитационно, подобно темной материи.