Наскільки легкі «привиди»? Вчені уточнили максимальну вагу

У невпинному прагненні розгадати одну з найглибших таємниць сучасної фізики — масу нейтрино — вчені зробили значний крок уперед. Міжнародна колаборація KATRIN, що працює в Технологічному інституті Карлсруе в Німеччині, оголосила про встановлення нової, значно точнішої верхньої межі для маси цих невловимих «частинок-привидів». Оновлений результат, опублікований у престижному науковому журналі Science, вдвічі зменшує попередню оцінку, звужуючи поле для можливих значень маси нейтрино та наближаючи нас до розуміння їхньої ролі у Всесвіті.

Нейтрино — це фундаментальні частинки, існування яких було теоретично передбачене майже століття тому для пояснення збереження енергії в процесах радіоактивного розпаду. Відтоді вчені доклали колосальних зусиль для вивчення їхніх властивостей, але багато аспектів, зокрема їхня точна маса, залишаються загадкою. Це питання має величезне значення, адже нейтрино є найпоширенішими масивними частинками у Всесвіті. Як влучно зазначив Тьєррі Лассер, фізик з Комісії з альтернативних джерел енергії та атомної енергії Франції, нейтрино «пронизують ниткою, що з'єднує нескінченно мале та нескінченно велике». Їхня маса, хоч і надзвичайно мала, суттєво впливає на еволюцію великомасштабних структур космосу, від формування галактик до загального розширення Всесвіту.

Ці невидимі частинки безперервним потоком мандрують космосом ще з часів Великого Вибуху, що стався приблизно 13,8 мільярдів років тому. Їхня кількість вражає уяву: за оцінками, на кожен атом у відомому Всесвіті припадає близько мільярда нейтрино. Однак, незважаючи на таку величезну кількість, їх надзвичайно важко детектувати. Причина криється у їхніх властивостях: нейтрино мають мізерну масу (хоча й ненульову, як було доведено раніше, що стало відкриттям, відзначеним Нобелівською премією) і не мають електричного заряду. Це призводить до того, що вони вкрай рідко взаємодіють зі звичайною матерією. Вважається, що трильйони цих «привидів» щомиті пронизують наші тіла, не залишаючи жодного сліду і не спричиняючи жодних відчуттів. Ця невловимість робить їх вивчення одним із найскладніших завдань експериментальної фізики.

Проте, «складно» не означає «неможливо». З 2019 року понад сто вчених із шести країн об'єднали зусилля в рамках колаборації KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), щоб «полювати» на масу нейтрино. Серцем експерименту є гігантський спектрометр, розташований у 70-метровій вакуумній установці. Основний компонент спектрометра важить близько 200 тонн. Принцип роботи KATRIN полягає у надзвичайно точному вимірюванні енергії електронів, що вивільняються під час радіоактивного бета-розпаду тритію — важкого ізотопу водню. Під час цього розпаду ядро тритію перетворюється на ядро гелію-3, випромінюючи електрон та електронне антинейтрино. За законом збереження енергії, загальна енергія розпаду розподіляється між електроном та антинейтрино. Максимальна можлива енергія електрона спостерігається тоді, коли нейтрино «забирає» мінімально можливу енергію, що відповідає його масі спокою. Вимірюючи спектр енергій електронів з безпрецедентною точністю, особливо поблизу максимального значення, вчені можуть встановити верхню межу для маси нейтрино. Чим менша маса нейтрино, тим ближче максимальна енергія електронів до теоретичного максимуму без урахування маси нейтрино.

У своєму новому дослідженні колаборація KATRIN оголосила, що маса нейтрино не може перевищувати 0,45 електронвольта (еВ). Це надзвичайно мала величина — менше однієї мільярдної частки маси протона, що є будівельним блоком атомних ядер. Важливо, що ця нова верхня межа приблизно вдвічі нижча за результат, оголошений тією ж командою у 2022 році після аналізу перших даних експерименту. Таке суттєве покращення точності стало можливим завдяки накопиченню значно більшого обсягу даних. Якщо для отримання результатів 2022 року знадобилося проаналізувати близько 6 мільйонів подій розпаду тритію, то для досягнення нової межі в 0,45 еВ було виміряно енергії вже 36 мільйонів електронів.

Робота експерименту триває. Як зазначив Тьєррі Лассер, команда планує збирати дані до кінця поточного року, маючи на меті проаналізувати загалом близько 250 мільйонів електронів. Цей момент стане вирішальним. За результатами аналізу повного набору даних, експеримент або нарешті зможе зафіксувати реальний «слід» ненульової маси нейтрино, або ж встановить ще жорсткішу верхню межу, показавши, що маса нейтрино менша за 0,3 електронвольта.

Точне визначення маси нейтрино має фундаментальне значення для розв'язання кількох ключових загадок сучасної космології та фізики елементарних частинок. Хоча маса окремого нейтрино мізерна, їхня величезна кількість у Всесвіті означає, що вони роблять помітний внесок у загальну щільність маси-енергії. Цей внесок впливає на швидкість розширення Всесвіту та формування його великомасштабної структури — скупчень галактик та космічної павутини. Крім того, маса нейтрино є важливим параметром для перевірки та розширення Стандартної моделі фізики елементарних частинок, яка у своїй первісній формі передбачала нульову масу нейтрино.

Нейтрино також фігурують у деяких теоретичних моделях, що намагаються пояснити природу темної енергії — таємничої сили, яка, як вважається, спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Разом із темною матерією, ще однією невідомою субстанцією, темна енергія, за сучасними уявленнями, становить близько 95% всього вмісту Всесвіту, залишаючи лише 5% на звичайну матерію, з якої складаються зірки, планети та ми самі. Розуміння властивостей нейтрино може пролити світло на ці темні компоненти космосу.

Дивлячись у майбутнє, колаборація KATRIN також планує модернізувати свою установку, додавши нову систему детектування під назвою TRISTAN. Метою цього проєкту є пошук гіпотетичних «стерильних нейтрино». На відміну від звичайних (активних) нейтрино, які беруть участь у слабкій взаємодії, стерильні нейтрино, якщо вони існують, взаємодіяли б з матерією ще слабше, можливо, лише через гравітацію. Деякі теорії припускають, що стерильні нейтрино можуть мати значно більшу масу, ніж активні, і саме вони можуть бути кандидатами на роль частинок темної матерії.

Таким чином, експеримент KATRIN та пов'язані з ним дослідження знаходяться на передньому краї фундаментальної науки, намагаючись виміряти одну з найменших мас у природі, щоб зрозуміти найбільші структури та процеси у Всесвіті. Кожен новий крок у звуженні можливого діапазону маси нейтрино є свідченням надзвичайних можливостей сучасної експериментальної техніки та наполегливості міжнародної наукової спільноти у прагненні розкрити фундаментальні закони природи.