Физики, работающие в проекте KATRIN, сообщили, что верхний предел массы нейтрино не может превышать 0,45 электрон-вольт, это в два раза меньше предыдущей оценки и это многое меняет в наших представлениях о Вселенной. Работа опубликована в журнале Science.
Физики снизили оценку массы нейтрино в два раза
Физики, работающие в проекте KATRIN, сообщили, что верхний предел массы нейтрино не может превышать 0,45 электрон-вольт. Это в два раза меньше предыдущей оценки и это многое меняет в наших представлениях о Вселенной.
Установка внутренней системы основного спектрометра KATRIN. Markus Breig, KIT
Нейтрино пронизывают Вселенную с момента Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Их количество очень трудно оценить из-за того, что частицы крайне слабо взаимодействуют с другими видами материи — нейтрино, очень легкие, быстрые и не имеют заряда. Регистрация этих частиц — трудная проблема. Есть, например, такая оценка: триллионы нейтрино пролетают через человеческие тела каждую секунду, но мы этого не замечаем. «Неуловимость» нейтрино, делает их изучение чрезвычайно сложным. Но не невозможным. Физикам помогает «школьный» закон сохранения энергии.
В поисках нейтрино
Лазерная рамановская система для анализа состава газа трития в WGTS.
С тех пор как существование нейтрино было теоретически предсказано почти столетие назад, ученые пытались узнать о них как можно больше. Главная характеристика нейтрино — это его масса покоя. Это важно, потому что нейтрино, как самая распространенная частица во Вселенной. Нейтрино «плетет нить, которая соединяет бесконечно малое и бесконечно большое. Его масса влияет на структуры, из которых состоит космос», — говорит Тьерри Лассер, физик из Комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии Франции.
Более ста ученых из шести стран охотятся за нейтрино с 2019 года в рамках сотрудничества KATRIN в немецком Технологическом институте Карлсруэ. В новом исследовании, опубликованном в журнале Science, сотрудничество объявило, что масса нейтрино не может превышать 0,45 электрон-вольт. Это меньше одной миллиардной массы протона. Новый верхний предел массы нейтрино составляет около половины оценки, которую KATRIN объявил в 2022 году после своих первых измерений. Предыдущая оценка составляла 0.8 эВ.
Исходная секция эксперимента KATRIN.
KATRIN использует массивный спектрометр для регистрации распада трития, радиоактивной формы водорода, которая высвобождает как электроны, так и нейтрино. Эти частицы вращаются вокруг 70-метровой структуры, в которой их регистрирует 200-тонный спектрометр, работающий в вакууме.
Идея измерения массы нейтрино достаточно простая. Электрон и нейтрино делят энергию распада трития, поэтому физикам нужно оценить энергию распада и вычесть из нее энергию электронов, остаток — это энергия нейтрино. Но сделать такие измерения крайне трудно.
Для получения первых результатов KATRIN в 2022 году потребовалось измерить шесть миллионов электронов. Чтобы уточнить оценку в новой работе физики измерили энергию 36 миллионов электронов. «К концу года, команда измерит около 250 миллионов электронов», — говорит Лассер. Он считает, что это будет «момент истины»: либо эксперимент наконец обнаружит «след» нейтрино, либо определит, что его масса составляет менее 0,3 электрон-вольт. Это радикально изменит оценки массы Вселенной.
Сотрудничество KATRIN планирует создать новую систему под названием TRISTAN для поиска нового вида частиц, так называемых стерильных нейтрино. Эти гипотетические частицы не взаимодействуют с материей, но имеют гораздо большую массу, чем обычные нейтрино. Некоторые ученые предполагают, что эти тяжелые нейтрино могут быть на самом деле тем, что мы знаем как темную материю.