Загадка на віки. Вчені наблизилися до вимірювання ваги найлегшої частинки у Всесвіті
Наукпоп17 лютого 2022, 07:03
Нейтрино — дуже своєрідна частинка, відкрита в 30-х роках ХХ століття.
З одного боку, наш Всесвіт буквально наповнений цими крихітними частинками, схожими на електрони, проте вони не мають заряду і практично безмасові.
Вони беруть участь у слабкій ядерній взаємодії та відповідають за ядерний розпад і синтез. Розгляньте будь-яку ядерну реакцію і можете бути впевненими, що в ній братиме участь ця частинка. Тому Сонце, як й інші зірки, постійно випромінюють неймовірну кількість нейтрино.
Проте чимало науковців називають нейтрино примарною частинкою.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Річ у тім, що вони практично не взаємодіють зі звичайною матерією, наприклад, за все людське життя з атомами тіла в середньому взаємодіє приблизно одне нейтрино. І це при тому, що крізь ваше тіло щомиті проходять трильйони цих частинок.
Через це вивчення нейтрино дуже непросте завдання.
Нещодавно ми розповідали, як вчені пропонували побудувати гігантський детектор нейтрино у Тихому океані. З його допомогою вони планували вловити кожен із трьох видів нейтрино — електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино, — і з’ясувати причину нейтринних осциляцій — цікавої риси цієї частинки змінювати свій вигляд під час своєї космічної подорожі.
Нейтрино надзвичайно маленькі, легкі і швидкі, через що багато фізиків вважали, що ці частинки взагалі не мають маси і мчать крізь простір зі швидкістю світла. Лише у 2019 році вченим вперше вдалося з’ясувати приблизну масу нейтрино. Трохи пізніше команда вчених із колаборації KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) встановила верхню межу маси нейтрино в 1,1 електронвольт (1 еВ = 1,78·10-36 кг).
У своєму новому дослідженні вчені зуміли знизити планку до 0,8 еВ. Це приблизно 1,6·10-36 кг. Повністю роботу фізиків можна прочитати в журналі Nature Physics .
KATRIN вимірює масу нейтрино, що утворюються внаслідок ядерного розпаду тритію — радіоактивного ізотопу водню. Коли газоподібний тритій перетворюється на гелій, він також викидає електрон та частинку антинейтрино. Остання частинка втрачається, а електрон спрямовується в 23-метрову сталеву вакуумну камеру, де його енергію вимірює чутливий спектрометр.
Що це за антинейтрино? Це повна копія звичайного нейтрино з єдиною відмінністю — протилежною спіральністю. Вчені впевнені, що будь-яка частинка і античастинка мають однакову масу і розподіл енергії, а тому, вимірявши масу антинейтрино, вчені зможуть зробити висновок і про масу нейтрино.
В електроні зберігається практично вся енергія, що виділяється при розпаді тритію — проте невелика її частина губиться разом із частинкою антинейтрино. Дізнавшись різницю, вчені отримують можливість підрахувати масу примарної частинки.
Приблизну масу 0,8 еВ вчені отримали після аналізу першого повномасштабного запуску експерименту KATRIN, який пройшов ще у 2019 році. Однак, незважаючи на те, що верхня межа потенційної маси поступово знижується, Магнус Шлессер, фізик з Технологічного інституту Карлсруе не виключає можливості того, що підсумкова маса нейтрино врешті-решт виявиться рівна нулю. Тим не менш, більшість інших досліджень, зокрема й космічні спостереження, показують, що частинка все-таки повинна мати якусь масу.
Наступні результати експериментів команда KATRIN представить вже у 2024 році. Саме тоді вчені сподіваються поставити крапку у цьому питанні, вимірявши точну масу нейтрино. Однак, якщо маса частинки насправді менша за 0,2 еВ, то фізикам доведеться вигадувати альтернативні способи її вимірювання, адже ці значення знаходяться за межами чутливості експерименту.