Нейтрино – это одни из самых распространенных частиц во Вселенной, но при этом они невероятно сложны для обнаружения. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существуют три известных типа нейтрино. Однако эта картина изменилась, когда ученые обнаружили феномен нейтринных осцилляций – явления, показывающего, что нейтрино обладают массой и способны превращаться из одного типа в другой по мере движения в пространстве. На протяжении многих лет ряд необъясненных экспериментальных результатов подпитывал спекуляции о существовании четвертого типа, известного как стерильное нейтрино. Такая частица взаимодействовала бы с материей еще слабее, чем уже известные нейтрино. Подтверждение ее существования ознаменовало бы серьезный сдвиг в нашем понимании фундаментальной физики.
Новое исследование, опубликованное в престижном журнале «Nature», описывает самый точный на сегодняшний день прямой поиск стерильных нейтрино. Работа проведена коллаборацией KATRIN, которая анализировала радиоактивный распад трития, чтобы выявить тонкие признаки дополнительного типа нейтрино.
Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), расположенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, изначально был разработан для измерения массы нейтрино. Он делает это путем тщательного отслеживания энергий электронов, высвобождающихся при бета–распаде трития. Когда тритий распадается, нейтрино уносит часть энергии, что немного изменяет энергетический спектр испускаемых электронов. Если бы вместо обычного нейтрино иногда образовывалось стерильное, оно оставляло бы узнаваемое искажение, или «излом», в этом спектре.
Установка KATRIN простирается на более чем 70 метров в длину. Она включает в себя мощный безвходовой газообразный источник трития, спектрометр высокого разрешения, который точно измеряет энергии электронов, и детектор, регистрирующий частицы. С момента начала работы в 2019 году эксперимент собрал данные о бета–распаде трития с беспрецедентной точностью, целенаправленно ища малейшие отклонения, ожидаемые от стерильного нейтрино.
В новой статье в «Nature» команда сообщила о самом чувствительном на сегодняшний день поиске стерильных нейтрино с использованием бета–распада трития. В период с 2019 по 2021 год KATRIN зарегистрировал около 36 миллионов электронов за 259 дней сбора данных. Эти измерения были сопоставлены с детализированными моделями бета–распада и достигли точности лучше одного процента. Анализ не выявил никаких доказательств существования стерильного нейтрино.
Этот результат исключает широкий спектр возможностей, предполагавшихся ранними аномалиями. Эти аномалии включали неожиданные дефициты, наблюдаемые в реакторных нейтринных экспериментах и при измерениях с галлиевыми источниками, которые намекали на существование четвертого нейтрино. Полученные данные также полностью противоречат результатам эксперимента Neutrino–4, который заявлял об обнаружении такой частицы.
Исключительно низкий фоновый шум KATRIN означает, что почти все обнаруженные электроны происходят от распада трития, что позволяет проводить очень «чистое» измерение энергетического спектра. В отличие от осцилляционных экспериментов, которые наблюдают, как нейтрино изменяют свою идентичность после прохождения некоторого расстояния, KATRIN исследует распределение энергии в момент рождения нейтрино. Поскольку эти методы исследуют различные аспекты поведения нейтрино, они дополняют друг друга и вместе предоставляют убедительные доказательства против гипотезы стерильного нейтрино.
Как объясняет Тьерри Лассерр из Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге, который руководил анализом, «наш новый результат полностью дополняет реакторные эксперименты, такие как STEREO». Он добавляет: «В то время как реакторные эксперименты наиболее чувствительны к расщеплению масс стерильных и активных нейтрино ниже нескольких эВ², KATRIN исследует диапазон от нескольких до нескольких сотен эВ². Вместе эти два подхода теперь последовательно исключают существование легких стерильных нейтрино, которые заметно смешивались бы с известными типами нейтрино».
KATRIN продолжит сбор данных до 2025 года, что еще больше повысит его чувствительность и позволит проводить еще более строгие тесты для легких стерильных нейтрино. «К моменту завершения сбора данных в 2025 году KATRIN зарегистрирует более 220 миллионов электронов в интересующей области, увеличив статистику более чем в шесть раз», – говорит сопредседатель KATRIN Катрин Валерий из KIT. – «Это позволит нам расширить границы точности и исследовать углы смешивания ниже текущих пределов».
На 2026 год запланирована модернизация, в ходе которой к эксперименту будет добавлен детектор TRISTAN. TRISTAN будет записывать полный спектр бета–распада трития с беспрецедентной статистикой. Обходя основной спектрометр и измеряя энергии электронов напрямую, TRISTAN сможет исследовать гораздо более тяжелые стерильные нейтрино. «Эта установка нового поколения откроет новое «окно» в диапазон масс кэВ, где стерильные нейтрино могут даже образовывать темную материю Вселенной», – отмечает сопредседатель Сусанна Мертенс из Института ядерной физики имени Макса Планка.
Коллаборация KATRIN объединяет ученых из более чем 20 учреждений в 7 странах, что отражает глобальные усилия, стоящие за одним из самых точных нейтринных экспериментов, когда–либо созданных.
