146
Масса покоя призрачных нейтрино – одна из наиболее востребованных величин в физике элементарных частиц, которую ученые на шаг приблизились к точному определению благодаря новому эксперименту под руководством исследователей из Института ядерной физики имени Макса Планка в Германии.
Если бы масса нейтрино была известна, это могло бы приоткрыть дверь к физике, которая выходит за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает все известные силы и элементарные частицы во Вселенной.
Сказать, что нейтрино удивительны – это ничего не сказать. Когда-то предполагали, что у них вообще нет массы, но теперь понятно, что эта едва существующая частица на самом деле является тремя типами в одном, с идентичностями, которые колеблются в странной квантовой размытости, когда они пролетают сквозь пространство. Эта мерцающая идентичность предполагает массу, которая также имеет разные формы, размазанные по изменяющемуся облику нейтрино.
Будучи столь легкими и странными, нейтрино могут играть не по тем правилам, что другие частицы. Точная сборка мазков его невероятно малых масс может даже помочь подтвердить или исключить новые модели в физике элементарных частиц.
Однако физики не могут просто взвесить гроздья стационарных нейтрино, как виноград на весах. Они могут лишь подтвердить наличие таких субатомных частиц, наблюдая их взаимодействие с другими частицами или измеряя продукты их распада. Частица может существовать только кратчайшее мгновение, но за это время она оставляет свой след, по которому физики могут определить ее массу.
Однако, не имея заряда и практически не имея гравитационного тяготения, нейтрино оказывают на другие частицы лишь слабейшую силу. На самом деле сейчас через ваше тело пролетают миллиарды нейтрино, большинство из которых летят от Солнца, но они редко взаимодействуют с нами.
Однако то, что нейтрино так мало влияют на другие субатомные частицы, не означает, что они не являются фундаментальной частью того, из чего состоит материя. Это самые распространенные частицы, имеющие массу во Вселенной, и знание того, что придает этим вариациям нейтрино такую крошечную, ненулевую массу покоя, может помочь физикам сгладить или понять некоторые противоречия в Стандартной модели, которые нейтрино вносят таким образом, как они колеблются.
Физики постоянно совершенствуют свои лучшие оценки верхних границ индивидуальных и коллективных масс нейтрино, используя разные методы. Точнее измерение “аромата” электронного нейтрино показало, что его масса не может быть больше 0,8 электронвольт. Переводя это на массу относительно 1 килограмма (или 2,2 фунта), это все равно, что вес четырех изюминок относительно Солнца.
Последняя оценка была сделана в феврале 2022 года в рамках Карлсруэского эксперимента по исследованию тритиевого нейтрино (KATRIN) в Германии на основе распыления электронов и нейтрино, высвобождаемых в результате сверхтяжелой формы распада водорода.
Другой способ определить массу нейтрино, хоть и незначительную, – это изучить происходящее, когда атомное ядро искусственного изотопа гольмия-163 поглощает электрон из своей внутренней оболочки. В результате протон превращается в нейтрон, образуется элемент диспрозия-163 и выпускается нейтрино.
Физики могут измерить общую энергию, выделяемую при этом распаде, используя своеобразный калориметр, и сделать вывод о массе "отсутствующего" нейтрино, вылетевшем в эфир, исходя из общей массы атома и знаменитого уравнения Эйнштейна, E = mc2, где масса и энергия .
Это вычисляется как так называемое значение Q: разница в энергии, которую можно перевести в "пропавшую" массу из общего количества атомных частиц после реакции распада. Эта разница в массе интерпретируется как нейтрино.
Однако атомы золота, в которые встроен гольмий-163, могут влиять на реакцию распада, объясняет Кристоф Швайгер, физик из Института ядерной физики имени Макса Планка и ведущий автор нового исследования.
Поэтому важно измерить значение Q как можно точнее с помощью альтернативного метода и сравнить его с калориметрически определенным значением, чтобы выявить возможные систематические источники погрешности, – говорит он.
Для этого Швейгер и его коллеги поставили эксперимент, сочетавший пять так называемых ловушек Пеннинга, расположенных друг над другом внутри сверхпроводящего магнита, размещенного в вакууме и погруженного в жидкий гелий при температуре около 4 градусов Кельвина (-269,1°C или - 452,5°F).
PENTATRAP состоит из пяти ловушек Пеннинга, расположенных друг над другом, как видно на центральной желтой башне. (MPI по ядерной физике)
Все эти усилия помогают защитить оборудование таким образом, чтобы оно было достаточно чувствительным, чтобы улавливать частицы в ловушках Пеннинга и измерять тонкие энергетические отличия между заряженными ионами гольмия-163 и диспрозия-163.
"С помощью Airbus A-380 с максимальной нагрузкой можно было бы определить, упала ли на него хоть одна капля воды", - говорит Швейгер.
На самом деле, исследователи измерили входные ионы гольмия-163 и результирующие ионы диспрозия-163, чтобы получить значение добротности 2 863,2 ± 0,6 эВ c-2, что в 50 раз точнее, чем в предыдущем исследовании, которое дало значение 2 833 34 эВ c-2.
Использование более точного и независимо измеренного значения Q в сочетании с другими экспериментальными результатами "жизненно важно для оценки систематических неопределенностей в определении массы нейтрино", - пишут Швейгер и его коллеги в своей опубликованной статье.
Хотя это лишь один из кусочков головоломки, повышение точности измерения таких величин, как Q, можно сочетать с широким спектром подходов к пониманию того, почему странные мерцающие призраки мира частиц ведут себя именно так, как они и есть.
