Найточніше вимірювання наближає нас до знання справжньої маси «примарної» частинки

Маса спокою примарних нейтрино – одна з найбільш затребуваних величин у фізиці елементарних частинок, яку вчені на крок наблизилися до точного визначення завдяки новому експерименту під керівництвом дослідників з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Німеччині.

Якби маса нейтрино була відома, це могло б прочинити двері до фізики, що виходить за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок, яка описує всі відомі сили та елементарні частинки у Всесвіті.

Сказати, що нейтрино дивні – це нічого не сказати. Колись припускали, що вони взагалі не мають маси, але тепер зрозуміло, що ця ледь існуюча частинка насправді є трьома типами в одному, з ідентичностями, які коливаються в дивній квантовій розмитості, коли вони пролітають крізь простір. Ця мерехтлива ідентичність передбачає масу, яка також має різні форми, розмазані по мінливій подобі нейтрино.

Будучи такими легкими і дивними, нейтрино можуть грати не за тими правилами, що інші частинки. Точне складання мазків його неймовірно малих мас може навіть допомогти підтвердити або виключити нові моделі у фізиці елементарних частинок.

Однак фізики не можуть просто зважити грона стаціонарних нейтрино, як виноград на вагах. Натомість вони можуть лише підтвердити наявність таких субатомних частинок, спостерігаючи за їхньою взаємодією з іншими частинками або вимірюючи продукти їхнього розпаду. Частинка може існувати лише найкоротшу мить, але за цей час вона залишає свій слід, за яким фізики можуть визначити її масу.

Однак, не маючи заряду і практично не маючи гравітаційного тяжіння, нейтрино чинять на інші частинки лише найслабшу силу. Насправді, зараз через ваше тіло пролітають мільярди нейтрино, більшість з яких летять від Сонця, але вони рідко взаємодіють з нами.

Проте те, що нейтрино так мало впливають на інші субатомні частинки, не означає, що вони не є фундаментальною частиною того, з чого складається матерія. Це найпоширеніші частинки, які мають масу у Всесвіті, і знання того, що надає цим варіаціям нейтрино таку крихітну, ненульову масу спокою, може допомогти фізикам згладити або зрозуміти деякі протиріччя у Стандартній моделі, які нейтрино вносять у спосіб, у який вони коливаються.

Фізики постійно вдосконалюють свої найкращі оцінки верхніх меж індивідуальних і колективних мас нейтрино, використовуючи різні методи. Найточніше вимірювання “аромату” електронного нейтрино показало, що його маса не може бути більшою за 0,8 електронвольт. Перекладаючи це на масу відносно 1 кілограма (або 2,2 фунта), це все одно, що вага чотирьох родзинок відносно Сонця.

Останню оцінку було зроблено в лютому 2022 року в рамках Карлсруеського експерименту з дослідження тритієвих нейтрино (KATRIN) у Німеччині на основі розпилення електронів і нейтрино, що вивільняються в результаті надважкої форми розпаду водню.

Інший спосіб визначити масу нейтрино, хоч і незначну, – це вивчити, що відбувається, коли атомне ядро штучного ізотопу гольмію-163 поглинає електрон зі своєї внутрішньої оболонки. В результаті протон перетворюється на нейтрон, утворюється елемент диспрозій-163 і випускається нейтрино.

Фізики можуть виміряти загальну енергію, що виділяється при цьому розпаді, використовуючи своєрідний калориметр, і зробити висновок про масу “відсутнього” нейтрино, яке вилетіло в ефір, виходячи із загальної маси атома і знаменитого рівняння Ейнштейна, E = mc2, де маса і енергія еквівалентні.

Це обчислюється як так зване значення Q: різниця в енергії, яку можна перевести в масу, що “зникла” з загальної кількості атомних частинок після реакції розпаду. Ця різниця в масі інтерпретується як нейтрино.

Однак атоми золота, в які вбудований гольмій-163, можуть впливати на цю реакцію розпаду, пояснює Крістоф Швайгер, фізик з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка і провідний автор нового дослідження.

“Тому важливо виміряти значення Q якомога точніше за допомогою альтернативного методу і порівняти його з калориметрично визначеним значенням, щоб виявити можливі систематичні джерела похибки”, – каже він.

Для цього Швейгер та його колеги поставили експеримент, який поєднував п’ять так званих пасток Пеннінга, розташованих одна над одною всередині надпровідного магніту, розміщеного у вакуумі і зануреного в рідкий гелій при температурі близько 4 градусів Кельвіна (-269,1°C або -452,5°F).

PENTATRAP складається з п’яти пасток Пеннінга, розташованих одна над одною, як видно на центральній жовтій вежі. (MPI з ядерної фізики)

Всі ці зусилля допомагають захистити обладнання таким чином, щоб воно було достатньо чутливим, щоб вловлювати частинки в пастках Пеннінга і вимірювати тонкі енергетичні відмінності між зарядженими іонами гольмію-163 і диспрозію-163.

“За допомогою Airbus A-380 з максимальним навантаженням можна було б визначити, чи впала на нього хоч одна крапля води”, – каже Швейгер.

Насправді, дослідники виміряли вхідні іони гольмію-163 і результуючі іони диспрозію-163, щоб отримати значення добротності 2 863,2 ± 0,6 еВ c-2, що в 50 разів точніше, ніж у попередньому дослідженні, яке дало значення 2 833 ± 34 еВ c-2.

Використання більш точного і незалежно виміряного значення Q в поєднанні з іншими експериментальними результатами “є життєво важливим для оцінки систематичних невизначеностей у визначенні маси нейтрино”, – пишуть Швейгер і його колеги в своїй опублікованій статті.

Хоча це лише один з шматочків головоломки, підвищення точності вимірювання таких величин, як Q, можна поєднати з широким спектром підходів до розуміння того, чому дивні мерехтливі примари світу частинок поводяться саме так, як вони і є.