Физики приблизились к измерению веса нейтрино

Физики сделали один небольшой, но важный шаг к измерению массы неуловимой "призрачной частицы" – нейтрино. Это достижение, может пробить брешь в Стандартной модели физики элементарных частиц.

Точное измерение массы нейтрино позволило бы физикам глубже проникнуть в эволюцию нашей Вселенной и потенциально обнаружить новую, неоткрытую физику, скрывающуюся за пределами Стандартной модели. Но измерить эту массу непросто. Прозвище частиц заслуженно: у них отсутствует электрический заряд и почти нет массы, что означает, что они пролетают прямо сквозь обычную материю со скоростью, близкой к скорости света.

Чтобы приблизиться к наиболее точному на сегодняшний день верхнему пределу массы нейтрино, исследователям пришлось разработать эксперимент с беспрецедентной чувствительностью. Они сообщили о своих выводах в статье, опубликованной 19 апреля в журнале Nature Physics.

"Достигнутый уровень чувствительности мог бы определить изменение веса Airbus A-380 с максимальной загрузкой, если бы на него упала капля," – рассказывает Кристоф Швайгер, докторант Института ядерной физики Макса Планка в Германии и автор исследования.

Каждую секунду около 100 миллиардов нейтрино проходят через каждый квадратный сантиметр вашего тела. Крошечные частицы есть повсюду — образуются в ядерном пламени звезд, при огромных взрывах сверхновых, в результате космических лучей и радиоактивного распада, а также в ускорителях частиц и ядерных реакторах на Земле.

Фактически, нейтрино, которые были впервые обнаружены в 1956 году, уступают только фотонам по частоте распространения во Вселенной.

В прошлом физики предполагали, что нейтрино (во многом подобно фотонам) не имеют массы покоя — факт, который сделал бы их существование совместимым со Стандартной моделью физики элементарных частиц. Но это предположение было оспорено открытием нейтрино, исходящих от Солнца, которые могут произвольно переключаться между тремя "разновидностями" нейтрино — электронными, мюонными и тау-нейтрино. 

Такое преобразование должно быть возможным только в том случае, если нейтрино обладают некоторой массой.

Это вынудило физиков проводить сложные эксперименты для ее измерения.

Технически квантово-механическое смешивание трех разновидностей нейтрино означает, что ни у одной из них нет четко определенной массы. Вместо этого они представляют собой комбинации трех разных "массовых состояний". Это означает, что физики ищут не точное значение массы нейтрино, а верхний предел того, насколько большой может быть эта масса.

Почти 99% массы любого объекта, включая наши собственные тела, образуется за счет энергии связи, удерживающей элементарные частицы вместе внутри атомов. Однако оставшийся 1% массы присущ этим частицам.

Чтобы найти эту внутреннюю массу физики занялись поиском значения Q — разницы между суммой масс исходных реагентов и суммой масс конечных продуктов. Имея в виду это значение, дальнейшие измерения позволят извлечь собственную массу из общей массы атома.

Один из экспериментов по измерению массы нейтрино, эксперимент Карлсруэ с тритиевыми нейтрино (KATRIN) в Германии, нашел точную оценку массы нейтрино путем измерения энергии, когда сверхтяжелый водород распадался на гелий, испуская при этом электрон и нейтрино.

Лучший результат эксперимента KATRIN выявил верхний предел массы нейтрино в 0,8 электронвольта, что делает его примерно в 500 000 раз меньше массы электрона.

Чтобы приблизиться к отдельному измерению неуловимой массы нейтрино, исследователи разработали эксперимент, известный как Пенантрап — комбинация из пяти "ловушек Пеннинга", которые могут захватывать атомы внутри комбинации электрического и магнитного полей, в которых они раскачиваются в замысловатом движении, известном как "танец по кругу".

Поместив заряженные ионы гольмия-163 и диспрозия-163 внутрь ловушек Пеннинга и измерив незначительные различия в скоростях их колебаний, физики определили разницу в их энергиях, вызванную дополнительным нейтрино. 

Результатом стало измерение величины Q, которая, по словам исследователей, в 50 раз точнее, чем результат любого предыдущего эксперимента. Имея на руках этот результат, можно приблизиться к еще лучшему верхнему пределу массы нейтрино.