Ученые получили наиболее точное измерение массы нейтрино.

Новости МирТесен

Международное научное исследование KATRIN достигло значительного рубежа, установив новый верхний предел массы одной из самых трудноуловимых частиц – он превысил один электронвольт. Этот прогресс сближает возможность точного определения массы нейтрино, что может оказаться полезным для космологов в изучении природы тёмной материи и послужит стимулом к пересмотру общепринятой Стандартной модели физики элементарных частиц.

Нейтрино – одни из самых скрытных базовых составляющих мироздания. В космической науке эти фундаментальные частицы играют ключевую роль в создании крупных структур, например, галактик. А для исследователей в области субатомных процессов их незначительная, но существующая масса указывает на новые физические процессы, не описанные современными теориями. Без точного измерения массы нейтрино наше представление о Вселенной останется фрагментарным.

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 колоссальный спектрометр весом 200 тонн, предназначенный для измерения энергии распавшихся электронов с исключительной детализацией.

С момента начала научных наблюдений в 2019 году их достоверность неуклонно возрастала. «KATRIN – это проект, предъявляющий самые высокие требования к технологиям, и сейчас он функционирует безупречно», — заявил Гвидо Дрекслин ( Guido Drexlin), глава исследовательской группы, сотрудник Технологического института Карлсруэ и один из двух представителей эксперимента.

Другой представитель — Кристиан Вайнхаймер (Christian Weinheimer) Специалист Университета Мюнстера отмечает: «Увеличение интенсивности сигнала и уменьшение нежелательных помех стали ключевыми факторами, позволившими получить новый результат».

Тщательное исследование собранной информации потребовало значительной работы от международной команды аналитиков под руководством двух главных специалистов — Сюзанны Мертенс ( Susanne Mertens), сотрудником Института физики Макса Планка и Технического университета Мюнхена, и Магнусом Шлёссером ( Magnus Schlösser) из Технологического института Карлсруэ. «Необходимо было детально исследовать каждый фактор, даже самый незначительный, и исключить его влияние. Лишь благодаря такому кропотливому методу нам удалось избежать систематической ошибки в нашем результате, вызванной искажающими воздействиями», — объяснили специалисты по анализу данных.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, совокупность данных, полученных в ходе пилотной эксплуатации установки, была совмещена с информацией, собранной ранее в 2021 году. Это позволило установить новый максимальный предел массы нейтрино – 0,8 электронвольта. Впервые прямой метод определения этой величины достиг диапазона субэлектронвольт (меньше одного электронвольта), который считается критически важным с точки зрения космологии и физики элементарных частиц и где, вероятно, находится основная характеристика массы 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.