Физики ограничили массу электронного антинейтрино

Физики из коллаборации KATRIN сообщили о новом ограничении на массу электронного антинейтрино. Оно было получено путем высокоточного измерения энергетического спектра быстрых электронов, рождающихся при распаде молекулярного трития. Результаты опубликованы в Nature Physics.

Нейтрино можно назвать самыми загадочными из известных нам элементарных частиц — и дело не только в их физической инертности и неуловимости. Нейтрино известны еще и тем, что они все время превращаются по ходу своего движения, меняя одно поколение (аромат) на другое. В основе такого поведения лежит тот факт, что ни одно нейтрино не может одновременно обладать определенным ароматом, отвечающим за его участие в слабых взаимодействиях, и массой, отвечающей за участие в гравитационных взаимодействиях. Подробнее об этом удивительном явлении под названием «нейтринные осцилляции» читайте в материале «Н значит нейтрино».

Нейтринные осцилляции стали неопровержимым свидетельством того, что нейтрино обладают массой. Правда, из эксперимента удалось извлечь только разность квадратов масс, принадлежащих различным массовым состояниям (7,5×10⁻⁵ и 2,5×10⁻³ квадратных электронвольт соответственно). Другой путь доступа к этим постоянным — наблюдение за реликтовым излучением и галактиками. Там с опорой на космологическое моделирование удалось получить значение для суммы всех трех масс, которая оказалась ограничена 0,12 электронвольтами. Наконец, есть эксперименты по двойному бета-распаду, где измеряется средняя (эффективная) масса с ограничениями в несколько десятых долей электронвольта. Правда, там результат зависит от того, приходится ли нейтрино себе античастицей (частицы Майораны) или нет.

Однако самым чистым экспериментом по измерению массы нейтрино стал энергетический анализ обычного бета-распада, идею которого высказал еще Энрико Ферми. Энергию, высвобождаемую при этой реакции, делят между собой электрон и электронное антинейтрино. Если нейтрино обладает массой, это должно оставлять крошечный след на самом краю распределения электронов по энергии. Довольно быстро физики установили ограничение на массу, равное 1000 электронвольт, которое советские физики к 70-м годам прошлого века уменьшили до нескольких десятков. Дальнейший рост точности ограничивал недостаток технологий и обилие побочных эффектов, которые могли бы влиять на интерпретацию эксперимента.

Для преодоления этих трудности была организована коллаборация KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), целью которой стало измерение массы электронного антинейтрино по бета-распаду молекулярного трития. Ее участники сообщили об уточнении значения, опубликованного тремя годами ранее в ходе первой измерительной кампании. Теперь, согласно их результатам, масса электронного нейтрино не должна быть выше 0,9 электронвольт.

В основе такой высокой точности эксперимента лежит ряд условий, выполненных в установке KATRIN, а именно высокая активность тритиевого источника (порядка 10¹¹ беккерель), низкий шум (порядка 0,1 отсчетов в секунду), высокая разрешающая способность в измерении энергии электронов (порядка нескольких электронвольт), а также точные теоретические предсказания. В роли источника выступала 10-метровая труба, в которой при температуре 30 кельвин циркулировало до 40 грамм молекулярного газообразного трития в сутки, производимого Тритиевой лабораторией Карлсруэ. За измерение энергии электронов отвечал 200-тонный спектрометр, оборудованный магнитной коллимирующей системой и фильтрацией с помощью электростатического потенциала. Она позволяла пропускать в спектрометр быстрые электроны в узком диапазоне энергий, равном 2,8 электронвольт. Фоновый шум в ходе второй кампании работы KATRIN удалось уменьшить до 0,22 отсчетов в секунду. Главным источником шума остались альфа-распады ядер полония, содержащихся в элементах спектрометра, и распады изотопов радона.

За 1000-дневный период измерения физики зафиксировали 3,7 × 10⁶ бета-электронов в 40-электронвольтром интервале энергий в окрестности границы спектра. Они подгоняли под эти данные функцию, которая включала в себя свертку чистого электронного спектра, получаемого из теории Ферми, с аппаратной функцией всей установки, а также фоновый шум. В качестве одного из подгоночных параметров выступал квадрат массы электронного антинейтрино, который в квазивырожденном приближении определяется как среднее от квадратов масс всех трех массовых состояний. Для исключения человеческого фактора процедуру проводили четыре независимые группы аналитиков, а также обрабатывалась случайно перемешанная копия измерения для каждого потенциала.

Результат измерения оказался равен 0,26 ± 0,34 электронвольта в квадрате. Основная часть погрешности сложилась из статистической неопределенности, а вклад в систематические ошибки дали в основном фоновый шум и нестабильность потенциала. Полученное значение не дает ответа на вопрос, нулевая ли у нейтрино масса, но накладывает более строгое ограничение на ее верхний предел, который с вероятностью 90 процентов оказался равен 0,9 электронвольтам. Объединение этого результата с результатами первой кампании KATRIN снизило верхнюю границу до 0,8 электронвольт.

Новые ограничения позволят искать Новую физику, связанную с нейтрино. Одной из таких моделей стали стерильные нейтрино, про которые мы вам рассказывали в материале «Чистая аномалия».

Марат Хамадеев