Нейтрино легче 0,8 электронвольта: эксперимент ограничивает массу нейтрино с беспрецедентной точностью

Основываясь на данных, опубликованных в журнале Nature Physics, получен новый верхний предел 0,8 электронвольта (эВ) для массы нейтрино. астрофизические и космологические наблюдения, но чья частицево-физическая природа до сих пор неизвестна.

Монтаж электродов в главном спектрометре эксперимента KATRIN. Фото: Йоахим Вольф/KIT

Этот первый толчок в массовую шкалу нейтрино ниже эВ независимым от модели лабораторным методом позволяет KATRIN ограничивать массу этих «легких масс Вселенной» с беспрецедентной точностью.

Нейтрино, возможно, самая увлекательная элементарная частица в нашей Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их крошечная, но ненулевая масса отличает их, указывая на новые физические явления за пределами наших современных теорий. Без измерения масштаба массы нейтрино наше понимание Вселенной останется неполным.

Это вызов, который международный эксперимент KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) с партнерами из шести стран взял на себя как самый чувствительный в мире масштаб для нейтрино. Он использует бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода, для определения массы нейтрино через распределение энергии электронов, высвобождаемых в процессе распада. Это требует серьезных технологических усилий: в эксперименте длиной 70 метров находится самый интенсивный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии распада электронов с беспрецедентной точностью.

Высокое качество данных после начала научных измерений в 2019 году постоянно улучшалось в течение последних двух лет. «KATRIN – это эксперимент с самыми высокими технологическими требованиями, и теперь он работает как идеальный часовой механизм», – восхищается Гвидо Дрекслин (KIT), руководитель проекта и один из двух со-представителей эксперимента. Кристиан Вайнхаймер (Университет Мюнстера), другой со-представитель, добавляет, что «увеличение скорости сигнала и снижение фоновой скорости были решающими для нового результата».

Анализ данных

Углубленный анализ этих данных требовал всего от международной аналитической группы во главе с двумя ее координаторами, Сюзанной Мертенс (Институт физики Макса Планка и TU Мюнхен) и Магнусом Шлёссером (KIT). Каждый эффект, каким бы маленьким он ни был, должен был быть детально исследован.

Вид на главный спектрометр эксперимента KATRIN для определения массы нейтрино в кампусе к северу от KIT. Фото: Маркус Брейг, KIT

«Только этим трудоемким и замысловатым методом мы смогли исключить систематическую предвзятость нашего результата из-за искажающих процессов. Мы особенно гордимся нашей аналитической командой, которая успешно справилась с этой огромной задачей с большой приверженностью», – говорят два координатора анализа.

Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование на основе исчезающе малой массы нейтрино идеально совпадают: из этого можно определить новый верхний предел массы нейтрино 0,8 эВ (Nature Physics, июль 2021 г.). Это первый случай, когда эксперимент с прямой 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 барьер 1 эВ был преодолен KATRIN», — говорит эксперт по нейтрино Джон Уилкерсон (Университет Северной Каролины, председатель исполнительного совета).

Сюзанна Мертенс объясняет путь к новому рекорду: «Наша команда в MPP в Мюнхене разработала новый метод анализа для KATRIN, который специально оптимизирован для требований этого высокоточного измерения. Эта стратегия была успешно использована для достижения прошлых и текущих результатов. Моя группа очень мотивирована: мы продолжим решать будущие задачи анализа KATRIN с новыми творческими идеями и тщательной точностью».

Дальнейшие измерения должны повысить чувствительность

Со-спикерами и координаторами анализа КАТРИН являются: очень оптимистично смотрит 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 развиваемся и устанавливаем улучшения для дальнейшего снижения фоновой скорости».

Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы (TRISTAN), позволяющая KATRIN с 2025 года приступить к поиску «стерильных» нейтрино с массами в килоэлектронвольт-диапазоне, кандидата на таинственную темную материю в космосе, которая уже проявилась во многих