Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Поштучный метод «взвешивания» электронов позволит разобраться с массой нейтрино

Частота радиоизлучения, испускаемого одним электроном в магнитном поле ловушки

Американские физики продемонстрировали в работе новую методику точного и «поштучного» измерения энергии электронов, испускаемых при радиоактивном распаде. В ближайшем будущем, когда точность измерений возрастет, ее можно будет использовать для прямого измерения масс нейтрино, одной из самых важных, «нобелевского» калибра задач современной физики элементарных частиц. Работа с результатами исследования была опубликована на днях в журнале Physical Review Letters, а также доступна в архиве электронных препринтов; краткий рассказ о работе появился также в журнале Physics.

Нейтрино — самые загадочные из известных элементарных частиц, и одна из их загадок — необычайно малые массы. Настолько малые, что ни в каких экспериментах их пока не удается измерить напрямую. С другой стороны, из-за нейтринных осцилляций достоверно известно, что эти массы ненулевые. Поскольку теоретики предложили уже сотни гипотез для объяснения природы нейтрино, вопрос о прямом измерении их масс стоит ребром. Сами нейтрино неуловимы, но их массу можно, в принципе, измерить по недостаче энергии электронов в бета-распаде радиоактивных ядер, например трития. Такие эксперименты проводились, но они пока дают лишь ограничение сверху (около 2 электронвольт), а для надежного измерения надо добраться в область 0,01-0,1 электронвольт. Сейчас готовится гигантская установка KATRIN, которая позволит снизить это значение еще в несколько раз, но дальше двигаться будет очень проблематично.

Однако это может уже и не потребоваться. В установке Project 8 была реализована новая методика точного и поштучного измерения энергии электронов, которая совершенно не требует таких огромных ресурсов и вообще умещается на рабочем столе. Пока что авторы работы протестировали эту методику на пробном источнике, испускающем только электроны без нейтрино, но дорога к нейтринным массам для этого эксперимента открыта.

Устройство установки Project 8 таково. Маленькая газовая ячейка, помещенная в сильное магнитное поле, заполнялась радиоактивным изомером криптона 83mKr. Его распад (внутренняя конверсия) протекает так: ядро испускает фотон, который не улетает, а поглощается тут же внутри атома и выбивает электрон. В отличие от бета-распада, где электрон может иметь энергию в широком диапазоне, здесь его энергия четко фиксирована (а точнее, может обладать набором значений в зависимости от того, с какой электронной оболочки он вылетел). Задача эксперимента — научиться измерять энергию этого электрона с высокой точностью. Причем делать это надо поэлектронно, т.е. для каждого конкретного испущенного электрона, а не после усреднения по большой статистике.

 Обычно для измерения энергии электрона его требуется поглотить в веществе. Такое измерение — однократное, оно полностью устраняет измеряемый объект. В эксперименте Project-8 была реализована совсем иная идея — аккуратное, неразрушающее измерение энергии электрона, которое можно повторять много раз. Электрон крутится в магнитном поле и испускает циклотронное излучение на частоте своего вращения, которое лежит в микроволновом диапазоне. Это излучение выводится волноводом и регистрируется датчиком, а сам электрон продолжает крутиться, постепенно теряя свою энергию и плавно сдвигая частоту излучения.

Микроволновое излучение от одного-единственного электрона, конечно, слабое, но тем не менее его удалось отловить. На верхнем изображении показаны результаты измерения его частоты в одном конкретном случае (вообще были получены тысячи таких «снимков»). Слегка наклонные полоски показывают, как менялась частота излучения в первые миллисекунды после вылета электрона из атома. Резкие скачки — это побочный эффект, результат столкновения электрона с атомами газа. Продлевая черточки к началу отсчета времени, можно аккуратно измерить энергию электрона в момент его вылета.

Пока что погрешность измерения составляет десятки электронволь, что великовато для измерения массы нейтрино. Однако технология работает, она не требует огромных установок и затрат, поэтому точность измерений возрастет. Тогда в установку можно будет запускать уже тритий и по сверхточному измерению энергий электрона «добраться» наконец-то до нейтринных масс.

Игорь Иванов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.