Международный эксперимент по нейтрино TRItium в Карлсруэ (KATRIN), расположенный в Технологическом институте Карлсруэ (KIT), преодолел важный барьер в физике нейтрино, который важен как для физики элементарных частиц, так и для космологии. На основании данных, опубликованных в журнале Nature Physics , был получен новый верхний предел в 0,8 электронвольт (эВ) для массы нейтрино. Этот первый толчок к масштабу масс нейтрино менее эВ с помощью независимого от модели лабораторного метода позволяет KATRIN с беспрецедентной точностью ограничивать массу этих «легковесов Вселенной».

Нейтрино, пожалуй, самая увлекательная элементарная частица в нашей Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании крупномасштабных структур, в то время как в физике элементарных частиц их крошечная, но ненулевая масса выделяет их, указывая на новые физические явления, выходящие за рамки наших нынешних теорий. Без измерения шкалы масс нейтрино наше понимание Вселенной останется неполным.

Это вызов, который международный эксперимент KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) с партнерами из шести стран принял как самую чувствительную в мире шкалу для нейтрино. Он использует бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода, для определения массы нейтрино по энергетическому распределению электронов, высвобождаемых в процессе распада. Это требует значительных технологических усилий: в 70-метровом эксперименте находится самый мощный в мире источник трития, а также гигантский спектрометр для измерения энергии электронов распада с беспрецедентной точностью.

Высокое качество данных после начала научных измерений в 2019 году постоянно улучшалось в течение последних двух лет. «KATRIN — это эксперимент с высочайшими технологическими требованиями, и теперь он работает как часы», — с энтузиазмом говорит Гвидо Дрекслин (KIT), руководитель проекта и один из двух представителей эксперимента. Кристиан Вайнхаймер (Университет Мюнстера), другой представитель, добавляет, что «увеличение скорости сигнала и снижение фоновой скорости были решающими для нового результата».

Анализ данных

Углубленный анализ этих данных требовал всего от международной аналитической группы во главе с двумя ее координаторами, Сюзанной Мертенс (Институт физики им. Макса Планка и Технический университет Мюнхена) и Магнусом Шлёссером (KIT). Каждое влияние, каким бы малым оно ни было, должно быть исследовано в деталях. «Только с помощью этого трудоемкого и сложного метода мы смогли исключить систематическую погрешность нашего результата из-за искажения процессов. Мы особенно гордимся нашей аналитической группой, которая успешно взялась за эту огромную задачу с большой самоотдачей», — говорят два координатора по анализу.

Экспериментальные данные первого года измерений и моделирование, основанное на исчезающе малой массе нейтрино, идеально совпадают: отсюда можно определить новый верхний предел массы нейтрино, равный 0,8 эВ ( Nature Physics , июль 2021 г.). Это первый раз, когда прямой эксперимент с массой нейтрино вошел в космологически и физически важный диапазон масс субэВ, где, как предполагается, находится фундаментальная шкала масс нейтрино. «Сообщество физиков элементарных частиц взволновано тем, что KATRIN преодолел барьер в 1 эВ», — говорит эксперт по нейтрино Джон Вилкерсон (Университет Северной Каролины, председатель исполнительного совета).

Сюзанна Мертенс объясняет путь к новому рекорду: «Наша команда в MPP в Мюнхене разработала новый метод анализа для KATRIN, который специально оптимизирован для требований этого высокоточного измерения. Эта стратегия успешно использовалась для прошлых и текущих результаты. Моя группа очень мотивирована: мы продолжим решать будущие задачи анализа KATRIN с новыми творческими идеями и скрупулезной точностью».

Дальнейшие измерения должны улучшить чувствительность

Сопредседатели и координаторы анализа KATRIN очень оптимистично смотрят в будущее: «Дальнейшие измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2024 года. Чтобы реализовать весь потенциал этого уникального эксперимента, мы не только будем неуклонно увеличивать статистику сигнализируют о событиях, мы постоянно разрабатываем и внедряем улучшения, чтобы еще больше снизить фоновую частоту».

Особую роль в этом играет разработка новой детекторной системы (TRISTAN), которая позволит KATRIN с 2025 года приступить к поиску «стерильных» нейтрино с массами в килоэлектронвольтном диапазоне, кандидатов на загадочную темную материю в космосе. это уже проявилось во многих астрофизических и космологических наблюдениях, но чья корпускулярно-физическая природа до сих пор неизвестна.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.