Хотя ближайшие перспективы обнаружения легких стерильных нейтрино значительно потускнели, охота на них еще не окончена.
Эксперимент KATRIN (тритиевые нейтрино в Карлсруэ) предоставил новые сведения о стерильных нейтрино.
Нейтрино – необычное явление. Хотя миллиарды нейтрино, рождённых в результате космических событий или ядерных реакций, проходят через ваше тело каждую секунду, они практически не оставляют видимых следов.
Стандартная модель физики элементарных частиц различает три типа нейтрино: электроны, мюоны и тау. Наблюдение, что эти частицы могут «осциллировать», то есть менять свою идентичность во время движения, показало, что у них должна быть масса — открытие, за которое была присуждена Нобелевская премия.
Но учёных мучает одна загадка. Небольшие, необъяснимые отклонения в измерениях нейтрино от ядерных реакторов и специализированных источников намекают на нечто большее.
Может ли существовать четвёртый, «стерильный» нейтрино, взаимодействующий ещё меньше, чем его и без того робкие сородичи? Такое открытие переписало бы учебники физики и, возможно, даже объяснило бы таинственную тёмную материю, связывающую галактики.
Эксперимент KATRIN осуществил «самый точный прямой поиск» этой частицы, измерив энергетический спектр электронов, образующихся при бета-распаде трития. Присутствие стерильного нейтрино вызвало бы заметный «излом» в этом спектре.
Самые конфиденциальные данные KATRIN
Эксперимент KATRIN, расположенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, представляет собой огромную 70-метровую установку, предназначенную для высокоточных исследований физики элементарных частиц.
Он работает с использованием источника газообразного трития высокой светимости для получения электронов посредством бета-распада, спектрометра высокого разрешения для измерения их энергии и детектора для их подсчета.
С 2019 года KATRIN измеряет энергетический спектр β-распада трития, чтобы специально искать характерные искажения или изломы, которые могли бы указывать на излучение и, следовательно, на существование четвертого, более тяжелого, стерильного нейтрино.
Группа ученых Института ядерной физики имени Макса Планка зарегистрировала 36 миллионов электронов за 259-дневный период с 2019 по 2021 год. Эта работа представляет собой самый чувствительный на сегодняшний день поиск стерильных нейтрино с использованием бета-распада трития.
Благодаря точности измерения менее процента удалось добиться исключительно четких измерений, по сути, устранив фоновый шум.
Однако результаты не выявили следов стерильного нейтрино.
Это окончательное отсутствие сигнала прямо противоречит более ранним намекам и полностью опровергает заявления, полученные в ходе экспериментов, таких как Neutrino-4, которые сообщили о положительных доказательствах наличия такого сигнала.
«Наш новый результат полностью дополняет эксперименты на реакторах, такие как STEREO», — заявил Тьерри Лассер (Институт ядерной физики имени Макса Планка) в Гейдельберге, который руководил анализом.
«В то время как эксперименты в реакторах наиболее чувствительны к расщеплению стерильной и активной масс ниже нескольких эВ², KATRIN исследует диапазон от нескольких до нескольких сотен эВ². В совокупности эти два подхода теперь последовательно исключают лёгкие стерильные нейтрино, которые заметно смешиваются с известными типами нейтрино», — пояснил Лассер.
Продолжаются поиски этих неуловимых частиц
Хотя ближайшие перспективы обнаружения легких стерильных нейтрино значительно потускнели, охота на них еще не окончена.
«К завершению сбора данных в 2025 году KATRIN зарегистрирует более 220 миллионов электронов в интересующей области, увеличив статистику более чем в шесть раз. Это позволит нам расширить границы точности и снизить углы смешивания зондов до уровня ниже нынешних пределов», — заявила Катрин Валериус, сопредседатель KATRIN.
В 2026 году KATRIN получит масштабную модернизацию TRISTAN.
Этот детектор нового поколения будет напрямую измерять полный спектр бета-распада трития. Это откроет новые возможности для изучения стерильных нейтрино с гораздо более высокими массами – возможно, даже в трудноуловимом диапазоне масс порядка кэВ, где эти частицы могут быть ответственны за тёмную материю Вселенной.
Итак, хотя текущий поиск не дал результатов, охотники за призрачными частицами не сдаются и готовятся к следующему.
Исследование было опубликовано в журнале Nature 3 декабря.
Sourse: interestingengineering.com
