|
Затягивание сети вокруг неуловимого нейтрино
|
|
|
|
Нейтрино, хотя и почти невидимые, являются одними из самых многочисленных частиц материи во Вселенной. Стандартная модель признает три типа, но открытие нейтринных колебаний показало, что они имеют массу и могут изменять идентичность при распространении.
|
|
|
|
На протяжении десятилетий загадочные экспериментальные аномалии позволяли предположить наличие четвертого, "стерильного" нейтрино, которое взаимодействует еще более слабо. Обнаружение этого изменило бы наше понимание физики элементарных частиц.
|
|
|
|
Эксперимент KATRIN и поиск стерильных нейтрино
|
|
|
|
В исследовании, опубликованном в журнале Nature, коллаборация KATRIN представляет наиболее точный прямой поиск стерильных нейтрино с помощью измерений бета-распада трития.
|
|
|
|
Эксперимент KATRIN (нейтрино трития в Карлсруэ), построенный для определения массы нейтрино, измеряет энергетический спектр электронов, испускаемых при бета-распаде трития. В этом процессе энергия, уносимая нейтрино, тонко формирует обнаруженный электронный спектр.
|
|
|
|
Если бы существовало дополнительное стерильное нейтрино, оно иногда испускалось бы при распаде, создавая отчетливое искажение, или "излом", в электронном энергетическом спектре. KATRIN, расположенная в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, представляет собой большой эксперимент, протяженностью более 70 метров.
|
|
|
|
|
|
|
Он состоит из трех основных компонентов: газообразного источника трития без окон с высокой светимостью, который испускает электроны, спектрометрической системы с высоким разрешением, которая измеряет их энергию, и детектора, который их подсчитывает.
|
|
|
|
С 2019 года KATRIN измеряла спектр бета-распада трития с непревзойденной точностью, ища небольшие отклонения, особенно характерный изгиб, ожидаемый от стерильного нейтрино.
|
|
|
|
Результаты и последствия для стерильных нейтрино
|
|
|
|
В новой публикации Nature представлен наиболее чувствительный на сегодняшний день поиск стерильных нейтрино с использованием бета-распада трития.
|
|
|
|
KATRIN собрала 36 миллионов электронов за 259 дней с 2019 по 2021 год и сравнила их с моделью бета-распада, достигнув субпроцентной точности измерений. Никаких признаков стерильного нейтрино обнаружено не было.
|
|
|
|
Результат исключает большую область пространства параметров, предложенную предыдущими аномалиями: небольшие, но значительные дефициты, наблюдаемые в экспериментах с реакторными нейтрино и галлиевыми источниками, которые намекали на четвертое нейтринное состояние. Это также полностью исключает утверждение эксперимента "Нейтрино-4", в котором сообщалось о доказательствах такого сигнала.
|
|
|
|
Благодаря отличному соотношению сигнал / фон, гарантирующему, что почти все обнаруженные электроны происходят в результате бета-распада трития, KATRIN обеспечивает удивительно чистое измерение спектральной формы. В отличие от экспериментов с колебаниями, которые изучают, как нейтрино меняют вкус после прохождения некоторого расстояния, KATRIN исследует распределение энергии в точке создания.
|
|
|
|
Опираясь на различные методы обнаружения, эти два подхода дополняют друг друга и совместно обеспечивают мощный тест, который противоречит гипотезе стерильных нейтрино.
|
|
|
|
"Наш новый результат полностью дополняет реакторные эксперименты, такие как стерео", - объясняет Тьерри Лассер (Институт ядерной физики им. Макса Планка) в Гейдельберге, который руководил анализом.
|
|
|
|
"В то время как реакторные эксперименты наиболее чувствительны к стерильно–активному расщеплению массы ниже нескольких eV2, KATRIN исследует диапазон от нескольких до нескольких сотен eV2. Вместе эти два подхода в настоящее время последовательно исключают легкие стерильные нейтрино, которые могли бы заметно смешиваться с известными типами нейтрино".
|
|
|
|
Будущие перспективы и модернизация экспериментов
|
|
|
|
Поскольку сбор данных будет продолжаться до 2025 года, чувствительность KATRIN еще больше возрастет, что позволит проводить еще более строгие поиски легких стерильных нейтрино.
|
|
|
|
"К завершению сбора данных в 2025 году KATRIN зафиксирует более 220 миллионов электронов в интересующей области, увеличив статистику более чем в шесть раз", - говорит со-представитель KATRIN Катрин Валериус (KIT). "Это позволит нам раздвинуть границы точности и углов смешивания зондов ниже нынешних пределов".
|
|
|
|
В 2026 году эксперимент KATRIN будет модернизирован детектором ТРИСТАНА, способным регистрировать полный спектр бета-распада трития с беспрецедентной статистикой. Минуя главный спектрометр и измеряя энергию электронов напрямую, Тристан сможет исследовать гораздо более высокие массы стерильных нейтрино.
|
|
|
|
"Эта установка следующего поколения откроет новое окно в диапазон масс кэВ, где стерильные нейтрино могут даже образовать темную материю Вселенной", - говорит со-пресс-секретарь Сюзанна Мертенс (Институт ядерной физики Макса Планка).
|
|
|
|
Источник
|
