Нейтрино — нейтральные элементарные частицы, на которые приходится до половины состава космических лучей. Такие частицы постоянно бомбардируют Землю — каждую секунду через 2,5 кв. см человека проходит до 100 млрд нейтрино. Большинство из них формируется при слиянии протонов на Солнце, поэтому они недостаточно энергичны, чтобы их можно было идентифицировать, но некоторые достигают нашей планеты из-за пределов Млечного пути. Ученые пока не знают ни размер, ни массу нейтрино, — но физики из лаборатории KATRIN приблизились к решению этой задачи. «Хайтек» рассказывает, как ученые измеряют массу нейтрино и почему измерение этого параметра позволит открыть законы, которые находятся за пределами стандартной модели.
Что случилось?
Если кратко, то физики из эксперимента KATRIN приблизились к вычислению точной массы нейтрино. Они обнаружили, что частица не может весить больше 1,1 электрон-вольта (эВ), или около 0,000002 массы электрона.
Эксперимент Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) — научный комплекс на юго-западе Германии, строительство которого велось 18 лет. Ядром эксперимента является десятиметровая емкость, в которой находится 25 г радиоактивного трития, охлажденного до сверхнизкой температуры. В его среде постоянно происходит так называемый бета-распад, в результате которого один из нейтронов превращается в протон, порождая дополнительный электрон и электронное антинейтрино, масса последнего соответствует массе обычного электронного нейтрино.
Продукты бета-распада попадают в активную область датчика-спектрометра размером с жилой дом, который позволяет измерить энергию электронов. Суть эксперимента заключается в том, что электрон и нейтрино всегда получают некоторую часть энергии, выделившейся во время реакции распада. Это количество может колебаться от случая к случаю, но пропорция распределения энергии между электроном и нейтрино всегда остается неизменной. И в результате работы датчика получается график, форма которого позволяет вычислить максимальную энергию для каждого «массового состояния» нейтрино.
Измеряя энергию наиболее энергичных электронов, физики пытаются вывести энергию — и, следовательно, массу (точнее, взвешенное среднее из трех массовых состояний) электронного нейтрино.
Да, звучит не слишком точно, но это рекордное определенное значение, найти которое физики пытались с момента открытия нейтрино в 1956 году. Кроме того, результат всего одного месяца наблюдений на KATRIN.
До сих пор считалось, что предел массы нейтрино находится на уровне 2 эВ. Исследователи снизили его ровно в два раза.
Почему масса нейтрино — это важно?
Масса является одной из самых важных характеристик фундаментальных частиц. Нейтрино — единственная известная частица, масса которой остается загадкой. Измерение его массы помогло бы указать на новые законы физики, выходящие за рамки стандартной модели, удивительно успешного, но не полного описания того, как взаимодействуют известные частицы и силы во Вселенной. Его измеренная масса также послужит проверкой теорий космологов о том, как развивалась Вселенная.
Примерно два десятилетия назад физики считали, что нейтрино — частица, которая была теоретически предсказана в 1930 году и фактически обнаружена в 1956 году, вообще не имеет массы. Это утверждение было опровергнуто в 2015 году, когда ученые Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу».
В своем исследовании нобелевские лауреаты доказали, что нейтрино может иметь три вида (или аромата) — электронный, мюонный или тау-нейтрино, которые в ходе путешествия от источника к Земле могут меняться и смешиваться, то есть осциллировать.
Эти различные массовые состояния возможны только в случае, если у нейтрино существует масса. Согласно последним данным осцилляций нейтрино (которые показывают различия между массовыми состояниями, а не их фактическими значениями), если самое легкое массовое состояние равно нулю, самое тяжелое должно быть не менее 0,0495 эВ.
Однако наличие у нейтрино массы поставило перед учеными больше вопросов, чем дало ответов — исследователи до сих пор не понимают, каким образом нейтрино получают массу. Другие элементарные частицы в стандартной модели становятся массивными, взаимодействуя с полем Хиггса — энергетическим полем, которое заполняет всё пространство и затягивает массивные частицы. Однако масса нейтрино слишком мала для взаимодействия с полем Хиггса — поэтому для этих частиц требуется отдельная теория.
Представить массу нейтрино можно на примере вируса. Вирус состоит примерно из 10 млн протонов, каждый из которых примерно в 2 тыс. раз тяжелее, чем электрон внутри того же вируса. Исследования ученых из эксперимента KATRIN показало, что масса нейтрино составляет примерно 1/500 000 массы одного электрона.
Другой пример — в каждом кубическом сантиметре в один момент находится около 300 нейтрино. Если сложить все нейтрино, находящиеся внутри Солнца, получится примерно килограмм вещества — так что нейтрино действительно весит очень мало.
Измерение массы нейтрино имеет значение для уточнения существующих моделей формирования и существования планет, звезд и Вселенной в целом. Ученые считают, что во время Большого взрыва родилось так много нейтрино, что их коллективная гравитация повлияла на то, как всё вещество во Вселенной сгруппировалось в звезды и галактики.
Примерно через секунду после Большого взрыва нейтрино развили скорость, близкую к световой — а затем постепенно замедлялись, что позволило атомам сформироваться в структуры — будущие звезды и галактики. Когда именно эти элементарные частицы начали замедляться, зависело от их массы — тяжелые нейтрино должны были замедлиться раньше легких.
Теоретически астрономы могут измерить массу нейтрино, узнав параметры скоплений галактик — с другой стороны, этот метод основан на том, что существующие космологические модели верны. Поэтому если этот метод даст результат, отличный от прямых измерений массы нейтрино, например, на KATRIN, — это будет означать, что космологические теории ошибочны.
Что дальше?
Всё будет сильно зависеть от реальной массы нейтрино — если по итогам измерений физики определят, что элементарная частица весит не 1,1 эВ, а 0,2-0,3 эВ, космологам будет трудно согласовать эти значения с измерениями массы нейтрино, полученными от измерения скоплений галактик. Если это произойдет, ученым придется пересмотреть существующие космологические модели.
С другой стороны, если масса нейтрино меньше 0,2 эВ, как предсказывают измерения космологов, KATRIN не хватит чувствительности для измерения фактической массы. В этом случае физикам понадобятся более чувствительные эксперименты: например, Project 8, Electron Capture on Holmium и HOLMES, которые пока находятся в процессе строительства.