|
Какова масса покоящегося нейтрино
|
|
|
|
Какова масса покоящегося нейтрино? Это один из самых больших вопросов физики, на который нет ответа. Нейтрино играют центральную роль в природе. Команда, возглавляемая Клаусом Блаумом, директором Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге, внесла важный вклад в "взвешивание" нейтрино в рамках международного сотрудничества ECHo. Их результаты опубликованы в Nature Physics. Используя ловушку Пеннинга, он с предельной точностью измерил изменение массы изотопа гольмия-163, когда его ядро захватывает электрон и превращается в диспрозий-163. Благодаря этому удалось определить значение Q в 50 раз точнее, чем раньше. Используя более точное значение Q, можно выявить возможные систематические ошибки в определении массы нейтрино. В 1930-х годах выяснилось, что при радиоактивном бета-распаде атомного ядра не соблюдается баланс энергии и импульса. Это привело к постулату о "частицах-призраках", которые "тайно" уносят энергию и импульс. В 1956 году было, наконец, получено экспериментальное доказательство существования таких нейтрино. Задача: нейтрино взаимодействуют с другими частицами вещества только посредством слабого взаимодействия, которое также лежит в основе бета-распада атомного ядра.
|
|
|
|
По этой причине сотни триллионов нейтрино из космоса, особенно от солнца, могут проходить через наши тела каждую секунду, не причиняя никакого вреда. Чрезвычайно редкие столкновения нейтрино с другими частицами материи могут быть обнаружены только с помощью мощных детекторов. Солнечные нейтрино принесли еще одно новаторское открытие: три известных на сегодняшний день типа нейтрино могут трансформироваться друг в друга. Однако эти "нейтринные осцилляции" имели серьезные последствия для мировоззрения физики элементарных частиц. Ранее предполагалось, что нейтрино не имеют массы покоя, как фотоны. Это было бы совместимо со стандартной моделью физики элементарных частиц, лучшим описанием мира элементарных частиц на сегодняшний день. Однако колебания привели к появлению массы покоя у нейтрино — еще одно свидетельство того, что за пределами стандартной модели должна существовать новая физика. Таким образом, знание точной массы покоя нейтрино стало бы открытием в неизведанный мир новой физики. К сожалению, вы не можете просто поместить нейтрино на весы. Это требует чрезвычайно сложных экспериментов по технически доступным физическим процессам с участием нейтрино.
|
|
|
"Одним из способов является бета-распад трития", - объясняет Кристоф Швайгер, докторант кафедры Клауса Блаума в Институте ядерной физики имени Макса Планка. Здесь один из двух нейтронов сверхтяжелого водорода распадается на протон и испускает электрон и нейтрино, превращая атом в более легкий гелий. Этот процесс "взвешивается" в эксперименте KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ. "Дополнительным способом является захват электронов искусственным изотопом гольмием-163", - продолжает Швайгер. Здесь атомное ядро захватывает электрон с внутренней электронной оболочки, в результате чего протон превращается в нейтрон, в результате чего образуется элемент диспрозий-163. При этом, помимо прочего, также высвобождается нейтрино. Международная коллаборация ECHo, в которой участвуют гейдельбергские ученые, пытается измерить этот процесс энергетического распада с предельной точностью. Согласно теории Эйнштейна E = mc2, масса и энергия эквивалентны, поэтому измерение энергии можно приравнять к взвешиванию масс. Как "калориметр", ECHo чрезвычайно точно измеряет общую энергию, выделяющуюся при этом распаде: это соответствует максимальному значению Q за вычетом массы покоя высвобожденного нейтрино. Для этого изотоп гольмий-163 вводится в слой атомов золота.
|
|
|
|
"Однако эти атомы золота могут оказывать влияние на гольмий-163", - объясняет Швайгер. "Поэтому важно как можно точнее измерить значение Q, используя альтернативный метод, и сравнить его с калориметрически определенным значением, чтобы выявить возможные систематические источники ошибок". Именно здесь в дело вступают гейдельбергский эксперимент с пентатрапами и докторская диссертация Швайгера. Пентатрап состоит из пяти ловушек Пеннинга. В этих ловушках электрически заряженные атомы могут быть захвачены сочетанием статического электрического и магнитного полей. Эти ионы исполняют замысловатый "танец по кругу", что позволяет определить их массу с предельной точностью. "Используя Airbus A-380 с максимальной загрузкой, вы могли бы использовать эту чувствительность, чтобы определить, упала ли на него хоть одна капля воды", - говорит физик, иллюстрируя возможности этих супермасштабов. В принципе, ловушка Пеннинга работает как качели. Если вы посадите двух детей разного веса рядом друг с другом на два качеля одного типа и будете толкать их с одинаковой силой, вы постепенно заметите изменение частоты качаний. Это может быть использовано для расчета разницы в весе между двумя детьми.
|
|
|
|
В случае эксперимента с пентатрапом это разница в массе между ионами гольмия-163 и диспрозия-163. Кроме того, чем быстрее качаются оба ребенка, тем быстрее будет получен результат, который также является гораздо более точным при одинаковом времени наблюдения, чем при медленном раскачивании. По этой причине команда удалила 38, 39 и 40 электронов из "высокозаряженных" ионов в трех различных сериях измерений, что значительно ускорило их "хоровод". "Если все получится, измерение займет всего несколько недель", - говорит Швайгер. Исходя из различий в массе, полученных в результате различных частотных измерений, с помощью E = mc2, гейдельбергские ученые, наконец, смогли определить значение Q для захвата электронов, которое было в 50 раз точнее, чем раньше. "Вклад трех теоретических групп, включая группу Кристофа Кейтеля здесь, в институте, был не менее важен, чем наши измерения", - подчеркивает Швайгер. В дополнение к разнице частот между двумя ионами, на определяемое значение Q оказывает существенное влияние вторая переменная: энергия, запасенная в оставшейся электронной системе высокозаряженного иона. Поскольку такой большой ион представляет собой систему из нескольких частиц, расчет был соответственно сложным.
|
|
|
|
Оказалось, что в результате расчетов были получены почти одинаковые значения добротности для трех измеренных зарядовых состояний с удаленными 38, 39 и 40 электронами. Это дало понять, что систематические неточности в эксперименте и теории могут быть исключены, с энтузиазмом подчеркивает Швайгер. И что это означает для масс нейтрино? KATRIN определила самый точный на сегодняшний день верхний предел массы нейтрино, "взвесив" его со скоростью 0,8 электрон-вольта на скорость света в квадрате, что соответствует невообразимым 0,00000000000000000000000000000000000014 килограмма. Этот порядок значений, равный 10-36, приблизительно соответствует весовому соотношению между четырьмя изюминками и солнышком. И это только верхний предел. Анализ предполагаемого распределения масс во Вселенной даже приводит к значительно более низкому верхнему пределу масс нейтрино - 0,12 электрон-вольта на скорость света в квадрате. "Однако этот анализ очень сложен и зависит от используемой космологической модели", - говорит Швайгер. В любом случае, очевидно, что любой, кто хочет взвесить нейтрино, сталкивается с серьезными трудностями на грани того, что технически возможно. На этом фоне гейдельбергский результат является важным шагом вперед на пути к разгадке тайны масс нейтрино.
|
|
|
|
Источник
|
