KATRIN — огромный датчик, который помог «взвесить» крошечные частицы нейтрино

Нейтрино можно отнести к самым странным субатомным частицам. За счет очень маленькой массы и отсутствия электрического заряда нейтрино практически не взаимодействуют с обычной материей, они абсолютно беспрепятственно могут пронизывать скопления материи, такие, как планеты и даже звезды. Ученые в течение нескольких десятилетий пытались выяснить значение массы нейтрино при помощи различных высокочувствительных датчиков, и недавно датчик эксперимента Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) в Германии, создание которого велось на протяжении без малого двух десятилетий, выдал первые результаты.

Спектрометр KATRIN на пути в экспериментальный зал
© KATRIN

Известно, что частицы нейтрино бывают трех разных типов — электронные, мюонные и тау-нейтрино. В 1957 году физик Бруно Понтекорво (Bruno Pontecorvo) выдвинул теорию о том, что нейтрино могут «колебаться», переходить от одного типа к другому. Это, в свою очередь, подразумевает, что нейтрино обладает массой, и это было подтверждено экспериментально, за что Такааки Кадзита (Takaaki Kajita) и Артур Макдональд (Arthur McDonald) удостоились в 2015 году Нобелевской премии в области физики.

Обладание знаниями о массе нейтрино важно для понимания того, почему нейтрино взаимодействуют с обычной материей только при помощи сил слабых ядерных взаимодействий. Кроме этого, с точки зрения квантовой механики, каждый тип нейтрино состоит из комбинации трех вероятностных «массовых состояний». Однако, из-за основной странности квантовой механики, можно измерить только «массовое состояние» или установить тип нейтрино, провести измерения сразу двух этих величин принципиально невозможно.

Точные измерения массы нейтрино потребовали от ученых проявления творческого подхода. Ядром эксперимента KATRIN является 10-метровая емкость, в которой находится 25 граммов радиоактивного изотопа водорода, трития. Этот водород охлажден до сверхнизкой температуры и в его среде постоянно происходит так называемый бета-распад, в результате которого один из нейтронов превращается в протон, порождая дополнительный электрон и электронное антинейтрино, масса которого соответствует массе обычного электронного нейтрино.

Продукты бета-распада попадают в активную область датчика-спектрометра, размером с жилой дом, который позволяет измерить энергию электронов. Суть эксперимента заключается в том, что электрон и нейтрино всегда получают некоторую часть энергии, выделившейся во время реакции распада. Это количество может колебаться от случая к случаю, но пропорция распределения энергии между электроном и нейтрино всегда остается неизменной. И в результате работы датчика получается график, форма которого позволяет вычислить максимальную энергию для каждого «массового состояния» нейтрино.

После 28 дней работы и сбора данных, ученые эксперимента KATRIN получили минимальное значение средней суммы трех массовых состояний нейтрино на уровне меньше 0.1 эВ (электрон-вольта), максимальное значение этого параметра составило 1.1 эВ. Для сравнения, масса-энергия электрона составляет около 500 тысяч эВ, а протона — почти один миллиард.

Полученное значение максимальной массы нейтрино почти в два раза меньше значений, которые дают другие эксперименты, к примеру, совсем недавно ученые, используя частицы нейтрино космического происхождения, вывели значение массы, равное 2.6 эВ. Однако, здесь следует учесть, что данные эксперимента KATRIN собирались в течение всего одного месяца, а впереди у ученых еще целых пять лет, в течение которых они будут собирать и анализировать новые данные.

Но в любом случае данные от эксперимента KATRIN, совмещенные с данными других экспериментов, позволят ученым в будущем вычислить не только максимальное массовое значение нейтрино, но и абсолютную массу каждой комбинации из трех «массовых состояний» этих частиц. Это, в свою очередь, позволит уточнить модели Вселенной на самом раннем этапе ее существования и найти ответы на несколько фундаментальных вопросов, в том числе, почему в нынешней Вселенной количество обычной материи значительно превосходит количество антиматерии.

Источник: dailytechinfo.org