Физики только что достигли нового наименьшего измерения массы частицы-призрака

Распад изотопов водорода только что дал нам самое маленькое измерение массы нейтрино.

Измеряя распределение энергии электронов, высвобождающихся при бета-распаде трития, физики определили, что верхний предел массы электронного антинейтрино составляет всего 0,8 электронвольта. Это 1,6 × 10-36 килограммов в метрической массе, и очень, очень страшно мало в имперской.

Хотя у нас все еще нет точного измерения, сужение круга поиска приближает нас к пониманию этих странных частиц, роли, которую они играют во Вселенной, и влияния, которое они могут оказать на наши современные теории физики. Это достижение было получено в рамках Эксперимента по изучению тритиевых нейтрино в Карлсруэ (KATRIN) в Германии.

"Вторая кампания по измерению массы нейтрино в KATRIN, представленная здесь, достигла субэлектронвольтной чувствительности", - пишут исследователи в своей статье.

"В сочетании с первой кампанией мы установили улучшенный верхний предел mν<0,8 электронвольта. Таким образом, мы сузили допустимый диапазон квазивырожденных моделей массы нейтрино и предоставили независимую от модели информацию о массе нейтрино, что позволяет проверить нестандартные космологические модели".

Нейтрино очень своеобразны. Они являются одними из самых распространенных субатомных частиц во Вселенной, похожи на электроны, но не имеют заряда и почти безмассовые. Это означает, что они очень редко взаимодействуют с обычной материей; фактически, миллиарды из них проходят через ваше тело прямо сейчас.

Именно поэтому мы называем их частицами-призраками. Это также делает их невероятно трудными для обнаружения. У нас есть некоторые методы их обнаружения - например, детекторы черенковских нейтрино - но они косвенные, улавливают эффекты пролетающих нейтрино, а не сами нейтрино.

Все это означает, что измерение массы этих частиц, близкой к нулю, является особенно сложной задачей. Но если нам удастся измерить это свойство, мы сможем узнать о Вселенной гораздо больше. К сожалению, это также очень трудно сделать. Нельзя просто взять крошечную шкалу, поместить на нее нейтрино и на этом закончить.

KATRIN использует бета-распад нестабильного радиоактивного изотопа водорода под названием тритий для определения массы нейтрино. В 70-метровой (230 футов) камере тритиевый газ распадается на гелий, электрон и электронное антинейтрино, а огромный, чувствительный спектрометр исследует результаты.

Поскольку нейтрино настолько призрачны, их невозможно измерить. Но физики уверены, что частица и ее античастица имеют равномерно распределенные массу и энергию; поэтому, если измерить энергию электронов, можно вывести энергию нейтрино.

Именно таким образом команда получила верхний предел массы нейтрино в 1 электронвольт еще в 2019 году. Чтобы уточнить этот результат, команда объединила увеличение числа распадов трития с методами уменьшения загрязнения от других видов радиоактивного распада, в результате чего был получен уточненный верхний предел.

"Эта кропотливая и сложная работа была единственным способом исключить систематическое искажение нашего результата из-за искажающих процессов", - говорят физики Магнус Шлёссер из Технологического института Карлсруэ и Сюзанна Мертенс из Института физики Макса Планка в Германии.

"Мы особенно гордимся нашей аналитической группой, которая с большой ответственностью приняла этот огромный вызов и добилась успеха".

Полученный результат знаменует собой первый случай, когда измерения нейтрино опустились ниже порога в 1 электронвольт. Это важный результат, который, хотя еще не совсем точная масса, позволит ученым уточнить физические модели Вселенной.

Между тем, коллаборация собирается продолжать попытки уточнить измерения массы нейтрино.

"Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года", - заявили исследователи. "Чтобы полностью исчерпать потенциал этого уникального эксперимента, мы будем неуклонно увеличивать статистику сигнальных событий и постоянно разрабатывать и устанавливать обновления для дальнейшего снижения уровня фона".

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.