Используя всего пять процентов своих данных, KATRIN раскрывает секреты взаимодействия нейтрино и бросает вызов Стандартной модели.
Внутренний вид спектрометра KATRIN.
Майкл Захер
Они проскальзывают сквозь стены, пролетают сквозь планеты и редко оставляют след. Угадайте, что это за «они»? Речь идёт о нейтрино — призрачных частицах, рождающихся в ядерных реакциях и взрывающихся звёздах, которые, кажется, бросают вызов самим законам Вселенной.
Десятилетиями физики считали, что у нейтрино вообще нет массы. Затем, как ни странно, некоторые наблюдения показали, что у нейтрино есть масса, но это не соответствует известным законам физики и заставляет учёных выйти за рамки Стандартной модели (СММ).
Теперь исследователи, участвующие в эксперименте KATRIN, также обнаружили нечто, связанное с нейтрино и не поддающееся объяснению с точки зрения известной нам физики. Результаты их последнего исследования накладывают существенные ограничения на неизвестные взаимодействия нейтрино — редкие события, в ходе которых нейтрино сталкиваются с другими частицами или влияют на них.
«Используя лишь небольшую часть (5%) окончательного набора данных KATRIN, мы уже смогли установить конкурентные ограничения для некоторых исследованных новых взаимодействий нейтрино по сравнению с глобальными ограничениями из других экспериментов с низкими энергиями», — сказала Кэролайн Фенглер, одна из исследователей, участвовавших в эксперименте KATRIN.
Улавливание нейтрино с использованием энергетического следа электронов
Эксперимент KATRIN (сокращение от Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) — не совсем обычная установка. В нём используется высокорадиоактивный газ тритий, который претерпевает бета-распад, испуская электрон и нейтрино.
Обычно учёные пытаются обнаружить само нейтрино. Однако KATRIN действует умнее: он наблюдает за электроном. Энергия, переносимая этим электроном, даёт представление о массе и поведении вылетевшего нейтрино. «Форма зарегистрированного бета-спектра содержит информацию о массе нейтрино и других аспектах физики BSM», — добавил Фенглер.
Это обнаружение может показаться простым, но на самом деле это одна из самых сложных задач для физиков. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что проходят сквозь целые планеты, не дрогнув. Различия в энергии, которые исследователи ищут в электронах, ничтожны, всего лишь доли электронвольта.
Чтобы регистрировать столь малые сдвиги, KATRIN использует массивный сверхточный спектрометр и один из самых мощных в мире источников трития. Однако авторов текущего исследования интересовало не только измерение массы нейтрино. Они задавались вопросом, может ли энергия электрона указывать на скрытые силы, которые мы пока не понимаем.
Согласно нескольким предложенным теориям, нейтрино могут взаимодействовать с веществом не только одним способом. Возможны общие взаимодействия нейтрино – неизвестные эффекты, вызываемые гипотетическими частицами, такими как правополяризованные W-бозоны, заряженные частицы Хиггса или лептокварки.
Они не являются частью стандартной модели, но продолжают появляться во многих теориях следующего поколения. Если какой-либо из этих эффектов существует, он слегка исказит форму спектра бета-распада. Поэтому, чтобы глубже разобраться, исследователи обратились ко второму раунду данных, составляющему всего пять процентов от того, что в конечном итоге соберёт KATRIN.
Они тщательно проанализировали форму распределения энергии электронов, выявляя эти мельчайшие деформации. Примечательно, что даже с этими предварительными данными им удалось установить новые жёсткие ограничения на диапазон возможных новых взаимодействий, совпадая или даже улучшая результаты аналогичных экспериментов по всему миру.
Следующий шаг в исследовании нейтрино
Хотя KATRIN пока не обнаружил прямых свидетельств существования новых нейтринных взаимодействий, тот факт, что он достаточно чувствителен, чтобы сузить круг возможных вариантов, является большим достижением. Большинство экспериментов проводятся либо глубоко под землёй, либо в массивных детекторах для поиска редких нейтринных событий.
KATRIN делает нечто иное: он точно улавливает малейшие отклонения непосредственно у источника, и эта стратегия оправдывает себя. «Мы уже работаем над дальнейшим повышением чувствительности к общим взаимодействиям нейтрино с помощью KATRIN, расширяя набор данных и совершенствуя наш подход к анализу», — отмечает Фенглер.
В 2026 году проект KATRIN перейдёт к следующей фазе — TRISTAN, которая предназначена для поиска более тяжёлых, так называемых стерильных нейтрино. Эти частицы, если они существуют, могут помочь разгадать тайну тёмной материи.
На данный момент стандартная модель всё ещё актуальна. Однако с каждым новым фрагментом данных KATRIN постепенно отходит на второй план, выявляя, где могут скрываться новые физические законы.
Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.
Sourse: interestingengineering.com
