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
Без ухудшения параметров детектирования
Физикам удалось увеличить разрешение сверхпроводниковой камеры до 400 тысяч пикселей. Скорость работы и чувствительность камеры позволяет получать изображение от сигналов очень слабой мощности, а ее структура — масштабировать устройство в дальнейшем. Работа опубликована в Nature.Детекторы на сверхпроводниках применяются во многих областях — от исследований черной материи до квантовых вычислений и коммуникации. Сложно выделить какой-то один параметр, по которому детекторы на сверхпроводниках превзошли полупроводниковые лавинные детекторы — они обладают и высокой эффективностью детектирования фотона (порядка 98 процентов) и небольшим мертвым временем (меньше трех пикосекунд), работают в диапазоне от ультрафиолета до ИК-излучения, а их темновой шум составляет не больше микрогерца. Один из возможных путей развития технологии сверхпроводниковых детекторов — создание сверхчувствительных камер. Чтобы собрать из детекторов камеру, необходимо очень быстро и очень точно определять, какой именно детектор сработал. Для этого можно считывать сигнал отдельно с каждого детектора, подводя к нему свою шину, но такой подход сложно масштабировать — для 20 тысяч пикселей нужно 20 тысяч управляющих шин — такая система окажется очень громоздкой. Можно делать длинные детекторы и измерять время прилета электрона, обрабатывать эти данные и тоже получать изображения. Однако, и тут возникает сложность масштабирования — изготовить такие детекторы технически сложно.Группа физиков из Национального института стандартов и технологий под руководством Адама Маккогана (A. N. McCaughan) объединила два этих подхода и сделала камеру с разрешением в 400 тысяч пикселей. Им удалось превзойти предыдущую реализацию камеры на сверхпроводниковых диодах в 20 раз. Авторы собрали матрицу из детекторов, где у каждой строки и каждого столбца были свои шины считывания. Чувствительные области камеры, которые поглощают фотоны, чередуются с диэлектрическими прослойками, в которых плотность тока мала, поэтому они никак не реагируют на прилет фотона и позволяют отделять детекторы друг от друга. Прилетевший фотон создает в цепи сопротивление, которое отводит ток смещения их детектора на нагревательный элемент термодатчика. Он, в свою очередь, генерирует фононы, которые разрушают сверхпроводимость и создает два противоположных по полярности напряжения импульса. Оба импульса распространяются по считывающей шине в разные стороны и с большими скоростями. По разности времен прихода можно определить, какой именно детектор сработал. Физики следили за темновым шумом системы и отключали детекторы, которые вносили наибольший вклад в общий шум. Таких оказывалось всего порядка 58 на 1300 работающих исправно. Кроме этого очень важно следить за тем, чтобы детектор поймал фотон и конечный импульс добрался до шины передачи сигнала. Авторы отметили, что энергия, необходимая для срабатывания шины, на два порядка ниже реальной энергии, которую передает детектор. Единственная проблема, которую пока еще не удалось решить — это повышение эффективности оптического детектирования фотонов, с ней физикам еще предстоит разобраться. Помимо создания камер на основе сверхпроводниковых детекторов ученые исследуют возможности сверхпроводников и в других направлениях. Например, создают детекторы, способные считать число фотонов (пока только до четырех) или увеличивают их в размере для повышения эффективности.