Дослідники з колаборації KATRIN, які займаються вимірюванням маси електронного антинейтрино у бета-розпаді тритію, оголосили про нову верхню межу маси частинки. У ході другого сезону експерименту, вимірюючи енергетичний спектр електронів, що народжуються у розпаді молекулярного тритію, вчені дійшли висновку, що маса електронного нейтрино із точністю у 90 відсотків не перевищить 0,9 електронвольта. В об'єднанні ж з попередніми результатами, верхню межу маси оцінили у 0,8 електронвольта. Стаття з новими обмеженнями від фізиків доступна у Nature Physics.
Головний спектрометр KATRIN / KATRIN
Що таке електронне антинейтрино?
Відповідно до Стандартної моделі, у фізиці елементарних частинок існує три типи або аромати нейтрино: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Також нейтрино мають свої античастинки - антинейтрино. І їх також ділять на «діраковське», тобто таке, що не тотожне нейтрино і відрізняється від нього, а також на «майоранівське», де за своїми властивостями нейтрино тотожне антинейтрино, тобто є істинно нейтральною частинкою.
Однією з особливостей нейтрино є те, що вони здатні переживати зміни свого аромату — осцилювати. Нейтринні осциляції призводять до того, що народжене як тау-частинка нейтрино може долетіти до детекторів фізиків вже електронним і навпаки. І заздалегідь передбачити це перетворення неможливо, а саме його існування перетворює безмасові згідно зі Стандартною моделлю частинки на частинки з масами, причому у масштабах у мільйони разів менших за масу електрона.
І з моменту відкриття та експериментального підтвердження існування нейтринних осциляцій, за що навіть вручили Нобелівську премію, почалися пошуки цієї маси, тобто спроби її виміряти. Враховуючи, що маса нейтрино як мінімум на п'ять порядків менша, ніж маса будь-якого іншого ферміону Стандартної моделі, це може вказувати на якийсь інший механізм набуття цієї маси. Втім, попри те, що ці частинки володіють «незначною» масою, вони з огляду на свою поширеність, грають важливу роль у формуванні Всесвіту, а визначення їхньої маси має важливе місце у космологічних теоріях.
І в рамках кампанії KATRIN дослідники повідомили про верхню межу маси електронного антинейтрино, вимірявши його через спектр бета-розпаду тритію. Цей метод не залежить від жодної космологічної моделі та не покладається на припущення, чи є нейтрино діраківською чи майоранівською частинкою.
Як виміряти масу нейтрино?
Потужним методом дослідження цієї характеристики нейтрино в лабораторії є експерименти з подвійним бета-розпадом. У цьому процесі два нейтрони стають двома протонами, викидаючи два електрони і два електронні антинейтрино. І якщо нейтрино є античастинками собі, то вони мають анігілювати. І якби трапився такий за підсумком безнейтринний розпад, можна було б зафіксувати пари електронів із втраченою внаслідок цього масою. Тож, якщо припустити, що нейтрино є все ж майоранівськими, верхньою межею їхньої маси є 79−180 міліелектронвольтів.
Обмеження на масу нейтрино можуть накласти спостереження за реліктовим випромінюванням та галактиками. Вони, спираючись на космологічні теорії, оцінюють верхню межу маси нейтрино у 0,12 електронвольта з точністю про 95 відсотків.
І лише один метод не залежить ні від якоїсь космологічної моделі, ні від природи маси нейтрино – оцінка маси в ході бета-розпаду, де енергію поділять між собою електрон та електронне антинейтрино. Якщо нейтрино має масу, це залишить крихітний слід, а зростання точності експериментів дозволить фізикам отримати більш точні виміри. Цим і займається колаборація KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), використовуючи бета-розпад молекулярного тритію. І в рамках нової роботи їм вдалося уточнити отримане три роки тому значення маси електронного антинейтрино, оцінивши верхню межу маси частинки у 0,9 електронвольта.
Перевезення корпуса спектрометра KATRIN / KATRIN; adapted by APS / Alan Stonebraker
Як працює експеримент?
Метод, на який спирається KATRIN, заснований на спостереженні за бета-розпадом тритію на гелій-3, електрон та електронне антинейтрино. Основою установки є 200-тонний спектрометр, який вимірює енергію електронів і здатний виявити цей слід нейтрино на самому краю розподілу енергії електронів своєю масою. Точність експерименту забезпечує потужне газоподібне джерело тритію — десятиметрова труба, якою при температурі 30 кельвін подається 40 грамів молекулярного тритію на добу. Також точність підвищує середовище, що виробляє низьку частоту фонових подій, у тому числі зменшуючи потік електронів на основний спектрометр (за допомогою додаткового).
Усього, порівняно з попередньою кампанією вимірювань, експеримент KATRIN зменшив статистичну та систематичну похибки приблизно втричі та двічі відповідно. Головним джерелом шуму залишилися альфа-розпади ядер полонію, що містяться в конструкційному матеріалі корпусу спектрометра, та розпади ізотопів радону.
Схема установки KATRIN, де зображене джерело тритію, атоми якого піддаються бета-розпаду на гелій-3, електрон і електронне антинейтрино. Електрони потрапляють у спектрометр, з яких той обирає з найвищою енергією, щоб вони своєю чергою потрапили у детектор. The KATRIN Collaboration / Nature Physics, 2022
То якої маси нейтрино?
Система з 24 надпровідних магнітів направила електрони від джерела до секції спектрометра і до фокального детектора. У результаті тисячі днів спостережень вдалося зафіксувати 3,7x10⁶ отриманих у результаті розпаду електронів. Отримані дані накладають на обмеження на верхню межу маси 0,9 електронвольта з точністю у 90 відсотків. І в поєднанні з результатами першої кампанії KATRIN верхню межу маси нейтрино оцінили в 0,8 електронвольта.
На цьому KATRIN не завершує свою роботу і планує зібрати ще в 50 разів більше даних і при цьому вдвічі знизити фоновий шум, оптимізуючи конструкцію електромагнітного поля секції спектрометра, а також усунути внесок радону і пастки Пеннінга, щоб досягнути чутливості у 0,2 електронвольта. А у пошуках нових підказок до природи нейтрино вперше з'явилися на Великому адронному колайдері завдяки 29-кілограмовому свинцево-вольфрамовому детектору.