Физики уточнили оценку суммы масс нейтрино
Ученые получили самую точную верхнюю оценку массы самого легкого типа нейтрино и суммы всех типов. Сумма масс оказалась меньше 0,26 электронвольт, а самое легкое нейтрино должно весить менее 0,086 электронвольт. Результаты были получены путем комбинации астрономических наблюдений и данных экспериментов по физике частиц, пишут авторы в Physical Review Letters.
Нейтрино — это один из видов элементарных частиц, существование которых изначально теоретически предположил Вольфганг Паули. Он выдвинул объяснение результатам экспериментов по β-распаду ядер: у получавшихся в процессе электронов наблюдалось непрерывное распределение по энергиям, в то время как в простейшем случае они должны были обладать фиксированными энергиями, соответствующими уровням системы. Паули допустил, что в процессе рождается еще одна незаметная частица, так что сумма энергий ее и электрона остается постоянной, а дискретность уровней сохраняется неявно.
Сегодня нейтрино входят в Стандартную модель физики элементарных частиц. Существует три поколения нейтрино, которым сопоставляется электрон, мюон и тау-лептон. Вместе эти шесть частиц образуют класс лептонов, то есть частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильном взаимодействии. Однако в отличие от заряженных лептонов, нейтрино не участвуют в электромагнитном взаимодействии.
Изначально считалось, что нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии, которое ответственно, например, за β-распад ядер. Однако во второй половине XX века сперва были теоретически предложены, а затем экспериментально открыты нейтринные осцилляции, то есть превращения нейтрино одного поколения в другое.
Помимо описания в терминах ароматов (поколений), возможно описание нейтрино в терминах массовых состояний, которых тоже три. Существование масс у нейтрино не предполагалось в изначальной формулировке Стандартной модели, но существование осцилляций доказало этот факт.
Современные эксперименты позволили с высокой точностью измерить разницу масс между массовыми состояниями нейтрино, однако как суммарная масса, так и отдельные массы известны достаточно плохо. Тем не менее, эти параметры важны как в контексте астрофизики, ведь нейтрино вносят заметный вклад в космологические процессы, так и с точки зрения физики частиц, потому что это может позволить продвинуться в понимании физики за пределами Стандартной модели.
В статье физиков из Великобритании, Франции, Испании и Бразилии проводится совместный анализ данных астрономии и физики частиц с целью определения массы нейтрино. Авторы использовали свойства крупномасштабного распределения вещества во Вселенной и реликтового излучения, данные по сверхновым типа Ia и первичному нуклеосинтезу, эксперименты на ускорителях частиц и ядерные реакторы. Ученые рассчитывали на суперкомпьютере свойства нейтрино в рамках различных моделей, которые учитывают как космологические параметры, такие как доля темной энергии и материи, так и детали физики частиц.
Авторы приходят к выводу, что результаты могут значительно отличаться в разных моделях. В частности, сильно разнятся данные у двух типов моделей: разные космологические приближения, которые обычно игнорируют результаты по осцилляциям, могут отличаться в оценке суммы масс до 43 процентов, в то время как построенные с учетом осцилляций отличаются друг от друга в пределах 7 процентов. Финальная полученная верхняя оценка на сумму масс оказалась 0,264 электронвольт, что все еще значительно выше минимальной оценки, которая на данный момент равна 0,06 электронвольт. Верхняя оценка массы самого легкого типа нейтрино оказалась 0,086 электронвольт.
Ранее физикам в других экспериментах удалось наложить ограничения на разницу между нейтрино и антинейтрино. Также продолжаются поиски нового вида стерильного нейтрино, указания в пользу существования которого нашел детектор MiniBooNE, а в России начался новый эксперимент по их поиску.
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.