Масштабный эксперимент KATRIN, предназначенный для поиска так называемых стерильных нейтрино, не обнаружил следов этой гипотетической частицы. Результаты, полученные международной научной коллаборацией, стали наиболее точными на сегодняшний день и опровергают ряд более ранних исследований, которые указывали на возможное существование этой частицы.
Нейтрино — одни из самых загадочных элементарных частиц. Ежесекундно через тело каждого человека проходят миллиарды нейтрино, рожденные в ядерных реакциях или космических событиях, однако они практически не взаимодействуют с веществом. Стандартная модель физики частиц описывает три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Способность этих частиц к осцилляциям, то есть к превращению друг в друга, доказывает, что они обладают массой. Однако в некоторых экспериментах, например, с ядерными реакторами, наблюдались небольшие аномалии в поведении нейтрино. Это породило гипотезу о существовании четвертого, «стерильного» нейтрино, которое взаимодействовало бы с материей еще слабее, чем известные типы. Открытие такой частицы могло бы переписать учебники по физике и, возможно, объяснить природу темной материи.
Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), расположенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, был специально создан для проверки этой гипотезы. Он представляет собой 70-метровую установку, использующую тритий для получения электронов в процессе бета-распада. Сверхточный спектрометр измеряет энергию этих электронов. Если бы стерильное нейтрино существовало, оно оставило бы характерный «излом» в спектре их энергии.
В ходе анализа, длившегося 259 дней в период с 2019 по 2021 год, ученые зафиксировали 36 миллионов электронов. Точность измерений достигла доли процента, что позволило практически полностью исключить фоновый шум. Однако в полученных данных не было обнаружено никаких признаков существования легкого стерильного нейтрино. Этот результат прямо противоречит данным некоторых предыдущих экспериментов, таких как Neutrino-4.
Как отметил руководитель анализа Тьерри Ласерр из Института ядерной физики имени Макса Планка, результат KATRIN полностью согласуется с данными других установок, например, реакторного эксперимента STEREO. Вместе эти исследования надежно исключают существование легких стерильных нейтрино, которые могли бы заметно смешиваться с известными типами.
Несмотря на текущие нулевые результаты, охота на неуловимые частицы не прекращается. К 2025 году KATRIN планирует накопить в шесть раз больше данных, что повысит точность измерений. А в 2026 году запланирована крупная модернизация установки под названием TRISTAN. Она откроет новый этап исследований, позволив искать стерильные нейтрино в более высоком диапазоне масс, где они, возможно, могут составлять темную материю Вселенной.
Исследование было 3 декабря в научном журнале Nature.