Эксперимент KATRIN: результаты не подтвердили существование стерильного нейтрино

Эксперимент KATRIN, направленный на поиск гипотетических стерильных нейтрино, не обнаружил их следов. Результаты, полученные международной командой ученых, являются самыми точными на сегодняшний день и противоречат некоторым ранее проведенным исследованиям, которые предполагали существование этой частицы.

Нейтрино — это одни из самых загадочных элементарных частиц. Миллиарды нейтрино проходят через тело человека каждую секунду, но они практически не взаимодействуют с веществом. Стандартная модель физики частиц описывает три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Их способность к осцилляциям (превращению друг в друга) доказывает, что у них есть масса. Однако в некоторых экспериментах наблюдались аномалии в поведении нейтрино, что привело к гипотезе о существовании четвертого, стерильного нейтрино, взаимодействующего с материей еще слабее. Открытие такого нейтрино могло бы существенно изменить наше понимание физики и, возможно, пролить свет на природу темной материи.

Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), расположенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, был создан специально для проверки этой гипотезы. Установка длиной 70 метров использует тритий для получения электронов в процессе бета-распада.

Сверхточный спектрометр измеряет энергию этих электронов. Если бы стерильные нейтрино существовали, они оставили бы характерный «излом» на спектре энергии.

Анализ данных, который длился 259 дней с 2019 по 2021 год, включал в себя измерение энергии 36 миллионов электронов с точностью до доли процента. Это позволило практически полностью исключить фоновый шум. Однако никаких признаков существования легкого стерильного нейтрино обнаружено не было. Этот результат противоречит данным некоторых предыдущих экспериментов, таких как Neutrino-4.

Как отметил руководитель анализа Тьерри Ласерр из Института ядерной физики имени Макса Планка, результаты KATRIN согласуются с данными других установок, таких как реакторный эксперимент STEREO. Эти исследования надежно исключают существование легких стерильных нейтрино, которые могли бы значительно смешиваться с известными типами.

Несмотря на отсутствие результатов, поиски неуловимых частиц продолжаются. К 2025 году KATRIN планирует увеличить объем данных в шесть раз, что повысит точность измерений. В 2026 году планируется модернизация установки под названием TRISTAN, которая позволит искать стерильные нейтрино в более высоком диапазоне масс, возможно, связанных с темной материей Вселенной.

Исследование было опубликовано 3 декабря в научном журнале Nature.