Новый эксперимент ограничивает массу нейтрино с беспрецедентной точностью
Международный эксперимент по исследованию нейтрино TRItium в Карлсруэ (KATRIN), расположенный в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), преодолел барьер в физике нейтрино, который важен как для физики элементарных частиц, так и для космологии.
На основании данных, опубликованных в Nature Physics, был получен новый верхний предел в 0,8 электронвольт (эВ) для массы нейтрино. Это измерение масс нейтрино позволяет KATRIN с беспрецедентной точностью ограничивать массу этих частиц.
Нейтрино одна из самых интересных элементарных частиц во Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их крошечная, но ненулевая масса выделяет их, указывая на новые физические явления, выходящие за рамки наших нынешних теорий. Без измерения шкалы масс нейтрино наше понимание Вселенной останется неполным.
Международный эксперимент KATRIN использует бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода, для определения массы нейтрино по энергетическому распределению электронов, высвобождаемых в процессе распада.
Это требует серьезных технологических усилий: в 70-метровом эксперименте находится самый мощный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии электронов распада с беспрецедентной точностью.
Высокое качество данных после начала научных измерений в 2019 году постоянно улучшалось в течение последних двух лет.
«KATRIN — это эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он работает как часы», — говорит Гвидо Дрекслин (KIT), руководитель проекта.
Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование, основанное на исчезающе малой массе нейтрино, идеально совпадают: из этого можно определить новый верхний предел массы нейтрино, равный 0,8 эВ.
Это впервые, когда прямой эксперимент с массой нейтрино вошел в космологически и физически важный диапазон масс суб-эВ, где, как предполагается, находится фундаментальная шкала масс нейтрино. «Сообщество физиков элементарных частиц взволновано тем, что KATRIN преодолел барьер в 1 эВ», — говорит эксперт по нейтрино Джон Вилкерсон.
Исследователи оптимистично смотрят в будущее: «Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. Чтобы полностью реализовать потенциал этого уникального эксперимента, мы не только будем неуклонно увеличивать статистику сигнальных событий, мы постоянно разрабатываем и устанавливаем улучшения для дальнейшего снижения фоновой частоты».
Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы (TRISTAN), которая позволит KATRIN с 2025 года приступить к поиску «стерильных» нейтрино с массами в килоэлектронвольтном диапазоне, кандидата на таинственную темную материю, которая уже проявилась во многих астрофизических и космологических наблюдениях, но физическая природа частиц которой до сих пор неизвестна.