Нейтрино экспериментально ограничили по массе — неуловимая частица близка к раскрытию секретов Вселенной

Одна из величайших загадок современной физики элементарных частиц — определение массы покоя нейтрино. Точнее, суммы масс, поскольку нейтрино осциллируют — превращаются по мере движения последовательно из одного типа в другой. От массы нейтрино зависят множество гипотез в космологии и понимание того, как устроена наша Вселенная. Но эта масса столь мала, а сами нейтрино настолько слабо взаимодействуют с материей, что зафиксировать их оказалось крайне сложно.

Спектрометр доставляют в институт. Источник изображения: katrin.kit.edu

Пока в США и Китае строятся новые колоссальные подземные комплексы для регистрации нейтрино, в Германии с 2019 года на базе института в Карлсруэ проводится эксперимент по измерению массы нейтрино. Этим занимается коллаборация KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), установку для которой также помогали разрабатывать российские физики из Института ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) в Троицке.

Эксперимент KATRIN строится вокруг 200-тонного спектрометра. Учёные измеряют массу (энергию) электронного антинейтрино с высокой точностью, используя бета-распад трития. Само (анти)нейтрино, которое образуется в процессе распада, остаётся неуловимым, но его энергию, а значит, и массу можно рассчитать, вычтя из уравнения массу электрона, также испускаемого в процессе распада.

В 2022 году на основании измерений энергий 6 млн электронов верхняя граница массы покоя нейтрино была установлена на уровне 0,8 эВ (электрон-вольта). Последний пакет наблюдений продолжался 259 дней и позволил измерить энергии уже 36 млн электронов. Новые данные почти в два раза снизили потолок массы нейтрино — до 0,45 эВ. До конца года учёные получат 250 млн измерений, и это даст возможность наиболее точно экспериментально измерить массу нейтрино.

Более того, есть шанс впервые увидеть трек, оставленный нейтрино на детекторе. Возможности самой установки не позволяют определять энергию частиц менее 0,2 эВ, но учёные надеются, что масса нейтрино окажется выше этого значения.

Нейтрино считаются наиболее распространёнными после фотонов частицами во Вселенной. Их свойствами, включая массу, можно попытаться объяснить и тёмную материю, и тёмную энергию. Несмотря на свою лёгкость, плотность нейтрино настолько высока, что эти частицы вполне могут играть роль скрытого механизма многих процессов во Вселенной. Поэтому точное определение их массы поможет ответить на множество фундаментальных вопросов мироздания. И этот момент неуклонно приближается.