Какова масса покоящегося нейтрино? Это один из больших вопросов физики, оставшихся без ответа. Нейтрино играют центральную роль в природе. Команда под руководством Клауса Блаума, директора Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге, внесла важный вклад в «взвешивание» нейтрино в рамках международного сотрудничества ECHo. Их результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Используя ловушку Пеннинга, они с чрезвычайной точностью измерили изменение массы изотопа гольмия-163, когда его ядро ​​захватывает электрон и превращается в диспрозий-163. Благодаря этому он смог 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-е годы выяснилось, что при радиоактивном бета-распаде атомного ядра неверен ни баланс энергии, ни баланс импульсов. Это привело к постулату о «частицах-призраках», которые «тайно» уносят энергию и импульс. В 1956 году было наконец получено экспериментальное доказательство существования таких нейтрино. Проблема: нейтрино взаимодействуют с другими частицами материи только через слабое взаимодействие, которое также лежит в основе бета-распада атомного ядра.

По этой причине сотни триллионов нейтрино из космоса, особенно Солнца, могут каждую секунду проходить через наши тела, не причиняя никакого вреда. Чрезвычайно редкие столкновения нейтрино с другими частицами материи можно обнаружить только с помощью огромных детекторов.

Солнечные нейтрино принесли еще одно новаторское открытие: три известных на сегодняшний день типа нейтрино могут превращаться друг в друга. Однако эти « нейтринные осцилляции » имели серьезные последствия для мировоззрения физики элементарных частиц. Ранее предполагалось, что нейтрино не имеют массы покоя, как и фотоны.

Это было бы совместимо со стандартной моделью физики частиц, лучшим описанием мира частиц на сегодняшний день. Однако осцилляции привели к появлению массы покоя у нейтрино — еще одно свидетельство того, что новая физика должна существовать за пределами стандартной модели.

Таким образом, знание точной массы покоя нейтрино было бы открытым кунжутом в неизвестный мир новой физики. К сожалению, вы не можете просто поместить нейтрино на шкалу. Для этого необходимы чрезвычайно сложные эксперименты по технически доступным физическим процессам с участием нейтрино.

«Один из способов — бета-распад трития», — объясняет Кристоф Швайгер, аспирант отделения Клауса Блаума в Институте ядерной физики Макса Планка. Здесь один из двух нейтронов сверхтяжелого водорода распадается на протон и испускает электрон и нейтрино, превращая тем самым атом в более легкий гелий. Этот процесс «взвешивается» экспериментом KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ.

«Дополнительный путь — захват электрона искусственного изотопа гольмия-163», — продолжает Швайгер. Здесь атомное ядро ​​захватывает электрон из внутренней электронной оболочки, в результате чего протон превращается в нейтрон, в результате чего образуется элемент диспрозий-163. Это, среди прочего, также высвобождает нейтрино. Международное сотрудничество ECHo, в котором участвуют ученые из Гейдельберга, пытается энергетически измерить этот процесс распада с предельной точностью.

Согласно закону Эйнштейна E = mc 2 , масса и энергия эквивалентны, поэтому измерение энергии можно приравнять к взвешиванию масс. В качестве «калориметра» ECHo чрезвычайно точно измеряет полную энергию, выделяющуюся при этом распаде: это соответствует максимуму значения Q минус масса покоя выделившегося нейтрино. Для этого изотоп гольмия-163 внедряют в слой атомов золота.

«Однако эти атомы золота могут оказывать влияние на гольмий-163», — объясняет Швайгер. «Поэтому важно измерить значение Q как можно точнее, используя альтернативный метод, и сравнить его со значением, определенным калориметрически, чтобы обнаружить возможные систематические источники ошибок».

Именно здесь в игру вступают Гейдельбергский эксперимент с пентатрапкой и докторская диссертация Швайгера. Пентатрап состоит из пяти ловушек Пеннинга. В этих ловушках электрически заряженные атомы могут быть захвачены в сочетании статического электрического и магнитного полей.

Эти ионы совершают сложный «хоровод», что позволяет определить их массу с чрезвычайной точностью. «С Airbus A-380 с максимальной нагрузкой вы могли бы использовать эту чувствительность, чтобы определить, упала ли на него хоть одна капля воды», — говорит физик, иллюстрируя возможности этой супервесы.

В принципе, ловушка Пеннинга работает как качели. Если вы посадите рядом друг с другом двух детей разного веса на двух однотипных качелях и будете толкать их с одинаковой силой, вы постепенно заметите сдвиг частоты качаний. Это можно использовать для расчета разницы в весе между двумя детьми.

В случае эксперимента с пентатрапом это разница в массе между ионом гольмия-163 и ионом диспрозия-163. Кроме того, чем быстрее качаются оба ребенка, тем скорее получается результат, который при том же времени наблюдения также гораздо точнее, чем при медленном покачивании.

По этой причине команда удалила 38, 39 и 40 электронов из «высоко заряженных» ионов в трех разных сериях измерений, что делает их «хоровод» значительно быстрее. «Если все работает, измерение займет всего несколько недель», — говорит Швайгер.

Из различий в массе в результате различных измерений частоты через E = mc 2 гейдельбергские ученые наконец смогли определить значение Q для захвата электрона, которое было в 50 раз точнее, чем раньше. «Вклад трех теоретических групп, включая группу Кристофа Кейтеля здесь, в институте, был так же важен, как и наши измерения», — подчеркивает Швайгер.

Помимо разницы частот между двумя ионами, на определяемое значение Q существенное влияние оказывает вторая переменная: энергия, запасенная в оставшейся электронной системе сильно заряженного иона. Поскольку такой большой ион представляет собой многочастичную систему, расчет был соответственно сложным.

Оказалось, что расчеты дали почти одинаковые значения Q для трех измеренных зарядовых состояний с удаленными 38, 39 и 40 электронами. Это дало понять, что систематические неопределенности в эксперименте и теории могут быть исключены, с энтузиазмом подчеркивает Швайгер. И что это означает для масс нейтрино?

КЭТРИН определила наиболее точный на сегодняшний день верхний предел массы нейтрино, «взвесив» его по формуле 0,8 электронвольта на квадрат скорости света, что соответствует невообразимым 0,000000000000000000000000000000000014 килограмма.

Этот порядок величины 10 -36 примерно соответствует весовому соотношению четырех изюминок и солнца. И это только верхний предел. Анализ предполагаемого распределения масс во Вселенной даже приводит к значительно более низкому верхнему пределу массы нейтрино, равному 0,12 электронвольта на квадрат скорости света.

«Однако этот анализ очень сложен и зависит от используемой космологической модели», — говорит Швайгер. В любом случае ясно, что любой, кто хочет взвесить нейтрино, сталкивается с серьёзными проблемами на грани технической возможности. На этом фоне результат Гейдельберга является важным шагом вперед на пути к разгадке тайны масс нейтрино.