Нейтрино, фундаментальная частица, возникает в звездах и реакторах и распространяется в пространстве почти со скоростью света. Эти частицы классифицируются по «ароматам»: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Переход между этими состояниями указывает на наличие у нейтрино массы, однако её конкретное значение остаётся неизвестным. Исследователи стремятся установить верхнюю границу этого значения. Новые данные в этом направлении были получены коллаборацией эксперимента KATRIN.
KATRIN — это 70-метровая установка, включающая источник электронов и спектрометр, находящаяся на юге Германии. Название KATRIN является аббревиатурой и расшифровывается как «Эксперимент с тритием и нейтрино в Карлсруэ». KATRIN – это совместная работа сообщила в статье, опубликованной в журнале Science, что новая, наиболее точная оценка массы нейтрино с уровнем достоверности 90 процентов — 0,45 электронвольта. Это меньше одной миллионной части массы электрона.
Физикам необходимо знать массу нейтрино для более глубокого понимания устройства мироздания и решения ключевых вопросов, таких как объяснение скрытой массы во Вселенной. Само существование массивных нейтрино представляет собой вызов, поскольку ранее не соответствовало Стандартной модели, что и послужило причиной ее пересмотра.
Для определения массы нейтрино в эксперименте применяют бета-распад трития — радиоактивного изотопа водорода с двумя нейтронами и одним протоном. Когда происходит бета-распад, нейтрон в ядре превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино — то же, что электронное нейтрино, только с другими квантовыми свойствами.
Электронное антинейтрино характеризуется слабым взаимодействием с веществом, что исключает возможность его прямого наблюдения. Однако в процессе распада высвобождается фиксированное максимальное количество энергии, которое распределяется между электроном и электронным антинейтрино. Энергия электрона измеряется с высокой точностью, после чего проводится анализ энергетического спектра для выявления незначительных изменений его формы вблизи конечной точки спектра.
Хотя эксперимент кажется несложным, в его проведении возникло немало трудностей, которые были успешно решены. Для анализа были использованы измерения энергии, полученные от 36 миллионов электронов, накопленные в течение 259 дней работы с 2019 по 2021 год. Указанный в научной работе предел массы нейтрино, равный 0,45 электронвольта, является наиболее точным на данный момент.
Эксперимент KATRIN, направленный на определение массы нейтрино, будет завершен в 2025 году, когда будет собрано тысяча дней данных. По завершении анализа, физики рассчитывают уточнить теоретически предсказанное значение массы нейтрино – 0,3 электронвольта. Кроме того, накопленный объем информации позволит проверить гипотезу о наличии фундаментальных частиц, не включенных в Стандартную модель, таких как легкое стерильное нейтрино и реликтовое нейтрино, возникшее в ранней Вселенной.
KATRIN намеренно модернизируется, однако и в других странах разрабатываются установки для измерения массы нейтрино: Проект-8, квантовые технологии для определения массы нейтрино (QTNM), Покорво-Тритовая обсерватория для изучения света, ранней Вселенной и высокой скорости нейтрино (PTOLEMY), электронный захват в Гольмии-163 (ECHo) .