Иллюстрация: The KATRIN Collaboration / Nature Physics. Физики из международной коллаборации KATRIN представили новые данные, ограничивающие массу электронного антинейтрино. Данные получены в результате высокоточных измерений энергетического спектра быстрых электронов, образующихся при распаде молекулярного трития. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics. Нейтрино – это одни из самых загадочных элементарных частиц, известных науке. Их физическая инертность и неуловимость лишь отчасти объясняют эту загадку. Нейтрино способны к осцилляциям – превращению из одного поколения (аромата) в другое во время своего движения. Это явление обусловлено принципом неопределенности: нейтрино не может одновременно обладать определенным ароматом, отвечающим за его участие в слабых взаимодействиях, и массой, отвечающей за его гравитационное взаимодействие. Нейтринные осцилляции служат неопровержимым доказательством того, что нейтрино обладают ненулевой массой.
Правда, из эксперимента удалось извлечь только разность квадратов масс, принадлежащих различным массовым состояниям (7,5×10−5 и 2,5×10−3 квадратных электронвольт соответственно). Другой путь доступа к этим постоянным — наблюдение за реликтовым излучением и галактиками. Там с опорой на космологическое моделирование удалось получить значение для суммы всех трех масс, которая оказалась ограничена 0,12 электронвольтами. Наконец, есть эксперименты по двойному бета-распаду, где измеряется средняя (эффективная) масса с ограничениями в несколько десятых долей электронвольта. Правда, там результат зависит от того, приходится ли нейтрино себе античастицей (частицы Майорана) или нет.
Однако самым чистым экспериментом по измерению массы нейтрино стал энергетический анализ обычного бета-распада, идею которого высказал еще Энрико Ферми. Энергию, высвобождаемую при этой реакции, делят между собой электрон и электронное антинейтрино. Если нейтрино обладает массой, это должно оставлять крошечный след на самом краю распределения электронов по энергии. Довольно быстро физики установили ограничение на массу, равное 1000 электронвольт, которое советские физики к 70-м годам прошлого века уменьшили до нескольких десятков. Дальнейший рост точности ограничивал недостаток технологий и обилие побочных эффектов, которые могли бы влиять на интерпретацию эксперимента.
Для преодоления этих трудности была организована коллаборация KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), целью которой стало измерение массы электронного антинейтрино по бета-распаду молекулярного трития. Ее участники сообщили об уточнении значения, опубликованного тремя годами ранее в ходе первой измерительной кампании. Теперь, согласно их результатам, масса электронного нейтрино не должна быть выше 0,9 электронвольт.
В основе такой высокой точности эксперимента лежит ряд условий, выполненных в установке KATRIN, а именно высокая активность тритиевого источника (порядка 1011 беккерель), низкий шум (порядка 0,1 отсчетов в секунду), высокая разрешающая способность в измерении энергии электронов (порядка нескольких электронвольт), а также точные теоретические предсказания. В роли источника выступала 10-метровая труба, в которой при температуре 30 кельвин циркулировало до 40 грамм молекулярного газообразного трития в сутки, производимого Тритиевой лабораторией Карлсруэ. За измерение энергии электронов отвечал 200-тонный спектрометр, оборудованной магнитной коллимирующей системой и фильтрацией с помощью электростатического потенциала. Она позволяла пропускать в спектрометр быстрые электроны в узком диапазоне энергий, равном 2,8 электронвольт. Фоновый шум в ходе второй кампании работы KATRIN удалось уменьшить до 0,22 отсчетов в секунду. Главным источником шума остались альфа-распады ядер полония, содержащихся в элементах спектрометра, и распады изотопов радона.
Схема эксперимента KATRIN. The KATRIN Collaboration / Nature Physics
За 1000-дневный период измерения физики зафиксировали 3,7 × 106 бета-электронов в 40-электронвольтром интервале энергий в окрестности границы спектра. Они подгоняли под эти данные функцию, которая включала в себя свертку чистого электронного спектра, получаемого из теории Ферми, с аппаратной функцией всей установки, а также фоновый шум. В качестве одного из подгоночных параметров выступал квадрат массы электронного антинейтрино, который в квазивырожденном приближении определяется как среднее от квадратов масс всех трех массовых состояний. Для исключения человеческого фактора процедуру проводили четыре независимые группы аналитиков, а также обрабатывалась случайно перемешанная копия измерения для каждого потенциала.
Результат измерения оказался равен 0,26 ± 0,34 электронвольта в квадрате. Основная часть погрешности сложилась из статистической неопределенности, а вклад в систематические ошибки дали в основном фоновый шум и нестабильность потенциала. Полученное значение не дает ответа на вопрос, нулевая ли у нейтрино масса, но накладывает более строгое ограничение на ее верхний предел, который с вероятностью 90 процентов оказался равен 0,9 электронвольтам. Объединение этого результата с результатами первой кампании KATRIN снизило верхнюю границу до 0,8 электронвольт. Новые ограничения позволят искать Новую физику, связанную с нейтрино. Одной из таких моделей стали стерильные нейтрино.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
