Нові виміри маси нейтрино

Вражаючий експеримент у формі дирижабля щойно отримав найточніші виміри маси нейтрино, єдиної елементарної частинки, масу якої ще потрібно виміряти. Дослідження визначило, що ця частинка має масу 0,45 електронвольт (еВ), що в мільйон разів менше, ніж маса другої найлегшої субатомної частинки, відомої науці: електрона. Нові дані були отримані в рамках експерименту з нейтрино з тритієм у Карлсруе, Німеччина (Katrin), і опубліковані в журналі Science. Результати встановлюють верхню межу маси цієї невловимої частинки, хоча поки що не дозволяють її визначити.

Нейтрино є другою за поширеністю частинкою у Всесвіті після фотона, який складає світло і не має маси. Щодоби близько 100 трильйонів нейтрино пронизують нас без жодних наслідків. Так звана частинка-привид не має заряду і рідко взаємодіє з іншими, тому здатна подорожувати Всесвітом мільярди років. Це робить її дуже цікавим об'єктом для вчених, які намагаються зрозуміти деякі з найжорстокіших явищ космосу, такі як чорні діри та зоряні вибухи, які генерують ці частинки. Вони також є посланцями, що прибули з моменту зародження Всесвіту, ще до того, як існувало світло, адже кожен кубічний сантиметр космосу містить близько 300 нейтрино, які з'явилися після Великого вибуху 13,7 мільярдів років тому.

Маса нейтрино є однією з найбільших загадок сучасної фізики. Сучасна модель, що визначає звичайну матерію, складається з 17 елементарних частинок — кварків, електронів, глюонів, бозонів. Ця модель передбачає, що маса нейтрино дорівнює нулю. Але вже кілька десятиліть відомо, що це неможливо. Нейтрино існує в трьох різних формах або «смаках», і під час руху вони змінюються з однієї форми на іншу. Ця осциляція означає, що принаймні деякі з їхніх форм мають масу, якою б малою вона не була.

Серцем Katrin є спектрометр довжиною 24 метри і шириною 10 метрів, найбільший на Землі. Установка діє як величезна вакуумна камера, куди вводиться тритій, радіоактивний газ. Цей матеріал розпадається таким чином, що один з його нейтронів перетворюється на протон і випромінює електрон і нейтрино. Останню частинку неможливо виявити, але можна визначити її масу, обчисливши енергію електрона і припускаючи, що те, чого не вистачає, є приблизно масою нейтрино.

Протягом 259 днів між 2019 і 2021 роками колаборація Katrin — до якої входять Німеччина, Великобританія, Чеська Республіка та Сполучені Штати — вимірювала енергію приблизно 36 мільйонів електронів, що вшестеро більше, ніж у попередніх дослідженнях. Результати визначають найсуворішу верхню межу маси нейтрино, ці 0,45 електронвольт, з рівнем довіри 90%. Цей результат є третім покращенням межі маси цієї частинки.

«Кампанія з вимірювання маси нейтрино в експерименті Katrin завершиться у 2025 році після досягнення 1000 днів збору даних», — пише фізик Лоредана Гастальдо у додатковій статті, опублікованій Science. «Аналіз повного набору даних, отриманих у цьому великому проєкті, дозволить оцінити ефективну масу електронного нейтрино близько прогнозованого значення 0,3 електронвольт, з рівнем довіри 90%», — додає вона. Ці вимірювання можуть дозволити дізнатися, «чи існують гіпотетичні частинки, такі як стерильне нейтрино [яке називається так, тому що воно взагалі не взаємодіє з матерією], а також нейтрино, які з'явилися з народженням Всесвіту», — підкреслює вона.

Фізик Хуанде Сорноза, дослідник Інституту фізики корпускул, спільного центру CSIC та Університету Валенсії, пояснює, що це нове обмеження є «важливим». «Оскільки нейтрино є фундаментальною частинкою стандартної моделі, а також дуже особливою та поширеною, ми хочемо знати всі її властивості, і маса є однією з найважливіших», — міркує він. Маса «є однією з її найбільш аномальних властивостей, оскільки вона дуже мала. Розуміння того, чому це важливо, може вказувати на інший механізм, ніж те, як інші частинки набувають масу. Відкриття, представлене цієї середи, говорить про те, що вони не змогли виміряти точну масу, але змогли встановити її верхню межу. З більшою статистикою вони зможуть трохи знизити цю межу або нарешті отримати позитивний вимір маси, але для цього потрібно більше даних», — додає він.