Загадка на века. Ученые приблизились к измерению веса самой легкой частицы во Вселенной

Дело в том, что они практически не взаимодействуют с обычной материей — к примеру, за всю человеческую жизнь с атомами тела в среднем взаимодействует примерно один нейтрино. И это при том, что сквозь ваше тело ежесекундно проходят триллионы этих частиц.

Из-за этого изучение нейтрино — очень непростая задача.

Недавно мы рассказывали, как ученые предлагали построить гигантский детектор нейтрино в Тихом океане. С его помощью они планировали уловить каждый из трех видов нейтрино — электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино, — и выяснить причину нейтринных осцилляций — интересной особенности этой частицы менять свой вид во время своего космического путешествия.

Нейтрино чрезвычайно маленькие, легкие и быстрые, из-за чего многие физики считали, что эти частицы вообще не обладают массой и несутся сквозь пространство со скоростью света. Лишь в 2019 году ученым впервые удалось выяснить приблизительную массу нейтрино. Чуть позднее команда ученых из коллаборации KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) установила верхний предел массы нейтрино в 1,1 электронвольт (1 эВ = 1,78·10^-36кг).

В своем новом исследовании ученые сумели «понизить» планку до 0,8 эВ. Это примерно 1,6·10^-36 кг. Полностью работу физиков можно прочитать в журнале Nature Physics.

KATRIN измеряет массу нейтрино, которые образуются в результате ядерного распада трития — радиоактивного изотопа водорода. Когда газообразный тритий превращается в гелий, он также выбрасывает электрон и частицу антинейтрино. Последняя частица теряется, а электрон направляется в 23-метровую стальную вакуумную камеру, где его энергию измеряет чувствительный спектрометр.

Что за антинейтрино? Это полная копия обычного нейтрино с единственным отличием — противоположной спиральностью. Ученые уверены, что любая частица и античастица обладают одинаковой массой и распределением энергии, а потому, измерив массу антинейтрино, ученые смогут сделать вывод и о массе нейтрино.

В электроне сохраняется практически вся энергия, которая выделяется при распаде трития — однако небольшая ее часть теряется вместе с частицей антинейтрино. Узнав разницу, ученые получают возможность подсчитать массу призрачной частицы.

Приблизительную массу в 0,8 эВ ученые получили после анализа первого полномасштабного запуска эксперимента KATRIN, который прошел еще в 2019 году. Однако несмотря на то, что верхняя граница потенциальной массы постепенно снижается, Магнус Шлессер, физик из Технологического института Карлсруэ не исключает возможности того, что итоговая масса нейтрино в итоге окажется равна нулю. Тем не менее, большинство других исследований, в том числе и космические наблюдения, показывают, что частица все-таки должна обладать какой-нибудь массой.

Следующие результаты экспериментов команда KATRIN представит уже в 2024 году. Именно тогда ученые надеются поставить точку в этом вопросе, измерив точную массу нейтрино. Однако, если масса частицы на самом деле меньше 0,2 эВ, то физикам придется придумывать альтернативные способы ее измерения, ведь эти значения находятся за пределами чувствительности эксперимента.