Физики приближаются к знанию массы нейтрино

Из всех известных частиц во Вселенной только фотоны превосходят по численности нейтрино. Однако, несмотря на их обилие, нейтрино трудно поймать и исследовать, так как они взаимодействуют с веществом очень слабо. Около 1000 триллионов призрачных частиц проходят через ваше тело каждую секунду - не дрогнув даже от одного атома.

«Тот факт, что они вездесущи, но мы даже не знаем, сколько они весят, является своего рода сумасшествием», - сказала Дебора Харрис, физик из Национальной ускорительной лаборатории Ферми недалеко от Чикаго и Йоркского университета в Торонто.

Физики долго пытались взвесить призрак. А в сентябре, после 18 лет планирования, построения и калибровки, эксперимент по тритий-нейтрино в Карлсруэ (KATRIN) на юго-западе Германии объявил о своих первых результатах: он обнаружил, что нейтрино не может весить более 1,1 электрон-вольт (эВ), или около одной пятисот тысячной массы электрона.

Эта первоначальная оценка, основанная на данных за один месяц, улучшает предыдущие измерения с использованием аналогичных методов, которые устанавливают верхний предел массы нейтрино на уровне 2 эВ. По мере накопления данных, KATRIN стремится накапливать фактическую массу, а не давать верхнюю границу.

Почему масса имеет значение

Масса является одной из самых основных и важных характеристик фундаментальных частиц. Нейтрино - единственная известная частица, масса которой остается загадкой. Измерение его массы поможет указать на новые законы физики, выходящие за рамки Стандартной модели, удивительно успешного, но не полного описания того, как взаимодействуют известные частицы и силы вселенной. Его измеренная масса также послужит проверкой теорий космологов о том, как развивалась Вселенная.

«В зависимости от того, какая масса нейтрино окажется, это может привести к очень захватывающим временам в космологии», - сказала Диана Парно , физик из Университета Карнеги-Меллона и член команды KATRIN.

Еще около двух десятилетий назад нейтрино, которые были теоретически предсказаны в 1930 году и обнаружены в 1956 году, считались безмассовыми. «Когда я учился в аспирантуре, в моих учебниках говорилось, что нейтрино не имеет массы», - сказал Харрис.

Это изменилось, когда в открытии, которое выиграло Нобелевскую премию 2015 года, физики обнаружили, что нейтрино могут превращаться из одного вида в другой, колеблясь между тремя “вкусовыми” состояниями: электроном, мюоном и тау. Эти колебания могут произойти только в том случае, если нейтрино также имеют три возможных массовых состояния, где каждый аромат имеет различные вероятности нахождения в каждом из трех массовых состояний. Массовые состояния перемещаются в пространстве по-разному, поэтому к тому времени, когда нейтрино перейдет из точки А в точку в, эта смесь вероятностей изменится, и детектор может измерить другой вкус.

Если существует три разных массовых состояния, то все они не могут быть равны нулю, поэтому нейтрино имеют массу. 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.

Тем не менее это так легко по сравнению с массой других частиц, что физики не уверены, как нейтрино получают такие крошечные массы. Другие частицы в Стандартной модели приобретают массу, взаимодействуя с полем Хиггса, энергетическим полем, которое заполняет все пространство и затягивает массивные частицы. Но для нейтрино «масса настолько мала, вам нужна дополнительная теория, чтобы объяснить это», - сказал Парно.

Выяснение того, как нейтрино приобретают массу, может решить другие, казалось бы, связанные тайны, например, почему во вселенной больше вещества, чем антивещества. Конкурирующие теории для механизма генерации массы предсказывают различные значения для трех массовых состояний. В то время как эксперименты по осцилляции нейтрино измеряли различия между массовыми состояниями, такие эксперименты, как KATRIN, являются своего рода средним из трех. Объединение двух типов измерений может выявить значение каждого массового состояния, отдавая предпочтение одним теориям массы нейтрино по сравнению с другими.

Космические Вопросы

Масса нейтрино также имеет космическое значение. Несмотря на их крошечную массу, во время Большого Взрыва родилось так много нейтрино, что их коллективная гравитация повлияла на то, как вся материя во Вселенной собралась в звезды и галактики. Примерно через секунду после Большого Взрыва нейтрино летали почти со скоростью света - настолько быстро, что они ускользали от гравитационного притяжения другой материи. Но затем они начали замедляться, что позволило им помочь загнать в угол атомы, звезды и галактики. Точка, в которой нейтрино начали замедляться, зависит от их массы. Более тяжелые нейтрино замедлились бы раньше и помогли бы сделать Вселенную более плотной.

Измеряя космическое сгущение, космологи могут определить массу нейтрино. Но этот косвенный метод основан на предположении, что модели космоса верны, поэтому, если он дает ответ, отличный от прямых измерений массы нейтрино, это может указывать на то, что космологические теории ошибочны.

До сих пор косвенный космологический подход был более чувствительным, чем прямые измерения массы в таких экспериментах, как KATRIN. Последние космологические данные со спутника Планка позволяют предположить, что сумма трех состояний массы нейтрино не может превышать 0,12 эВ, и в августе другой анализ космологических наблюдений показал, что самая легкая масса должна быть менее 0,086 эВ. Все они находятся значительно ниже верхней границы KATRIN, поэтому между этими двумя подходами пока нет противоречий. Но поскольку KATRIN собирает больше данных, могут возникнуть расхождения.

Что дальше

Долгожданный эксперимент KATRIN взвешивает нейтрино с помощью трития, тяжелого изотопа водорода. Когда тритий подвергается бета-распаду, его ядро испускает электрон и электрон-ароматизированное нейтрино. Измеряя энергию наиболее энергичных электронов, физики могут вывести энергию - и, таким образом, массу (или действительно, взвешенное среднее из трех составляющих масс) - электронного нейтрино.

Если KATRIN найдет массу около 0,2 или 0,3 эВ, космологам будет трудно согласовать свои наблюдения, сказала Марилена Ловерде, космолог из Университета Стони Брук. Одним из возможных объяснений может быть какое-то новое явление, которое приводит к уменьшению космологического влияния массы нейтрино с течением времени. Например, возможно, нейтрино распадается на еще более легкие неизвестные частицы, чьи скорости ближнего света делают их неспособными объединять вещество вместе. Или, может быть, механизм, который дает массу нейтрино, изменился за всю космическую историю.

С другой стороны, если масса нейтрино близка к тому, что предсказывают космологические наблюдения, Катрин не будет достаточно чувствительной, чтобы измерить ее. Он может весить нейтрино только до 0,2 эВ. Если нейтрино легче, чем это, физикам понадобятся более чувствительные эксперименты, чтобы приблизиться к его массе и решить вопросы физики частиц и космологии. Три потенциально более чувствительных проекта - Проект 8, Электронный захват на гольмии и HOLMES - уже собирают данные с помощью проверенных инструментов.