Физики уточнили массу нейтрино

Огромный эксперимент по определению массы одной из самых сбивающих с толку частиц Вселенной поставил точку в том, насколько велико может быть на самом деле нейтрино.

Частица, которую когда-то считали безмассовой, как теперь полагают, весит не более чем один электронвольт (эВ). Это может быть не точный ответ, но он приближает нас к решению одной из самых больших загадок современной физики.

Нейтрино очень странные. Они являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной, но их трудно обнаружить. Из-за своих уникальных свойств они очень мало взаимодействуют с нормальной материей, поскольку они «текут» через Вселенную на почти световой скорости.

Миллиарды нейтрино проникают через ваше тело прямо сейчас. Вы можете понять, почему они называются «призрачными частицами».

Никто не удивляется, что базовая масса нейтрино может быть настолько невероятно низкой. Фактически, когда они впервые были предложены в качестве части Стандартной модели физики элементарных частиц, предполагалось, что частицы вообще не имеют никакой массы.

Это предположение было эмпирически оспорено в конце 1990-х годов в результате значительного эксперимента, демонстрирующего, что потоки нейтрино, исходящие от Солнца, изменили форму или аромат так, что их масса не могла быть нулевой.

Если масса не ноль, то какая она? На протяжении более двух десятилетий различные эксперименты делали все возможное, чтобы ограничить пределы того, насколько большим или маленьким может быть нейтрино.

Проблема в том, что нейтрино занимаются своим делом довольно эффективно. Единственное взаимодействие, которое они имеют с типами частиц, из которых мы строим измерительные инструменты, — это слабая ядерная сила, которую не так просто обнаружить.

«Если бы вы заполнили Солнечную систему свинцом, толщиной в пятьдесят раз превышающим орбиту Плутона, около половины испускаемых Солнцем нейтрино все равно покинули бы Солнечную систему, не взаимодействуя с этим свинцом», — говорит физик из Вашингтонского университета Хэмиш Робертсон.

Из-за этого физикам приходится искать менее прямые методы для проведения наблюдений за такой призрачной частицей.

Астрономические наблюдения показали, что частицы имеют массу не менее 0,02 электронвольт. Другие эксперименты, основанные на обширном потоке электронов, высвобождаемых распадающимися атомами трития, показали, что он не может превышать 2,2 электронвольт.

Эксперимент «Karlsruhe Tritium Neutrino» (KATRIN) начал кампанию испытаний для расчета массы покоя нейтрино прошлой весной, после нескольких лет калибровок и испытаний установки в Германии. В начале этого месяца представители коллаборации представили свои первые результаты на конференции в Японии.

Несмотря на то, что путь еще впереди, а результаты еще не опубликованы, усилия группы исследователей сократили вдвое оценки массы, которые ранее считались возможными, по сравнению с предыдущим верхним пределом, составляющим около 2,2 электронвольт, до всего 1.

В отличие от единиц граммов и килограммов, это измерение не легко изобразить. Физик из Массачусетского технологического института Джозеф Формаджо и ведущий член экспериментальной группы KATRIN предлагает начинать с крошечного, а затем уменьшать.

«Каждый вирус состоит примерно из 10 миллионов протонов», — говорит Джозеф Формаджо. «Каждый протон весит примерно в 2000 раз больше, чем каждый электрон внутри этого вируса. И наши результаты показали, что нейтрино имеет массу менее 1/500 000 массы одного электрона!»

Приведение этого числа к более точной цифре поможет в будущем понять многое в физике, от природы темной материи до объяснения того, почему «вещество» вообще существует.