Расчеты показывают, какой массы может быть самая необычная элементарная фундаментальная частица из всех, существующих в природе.
Нейтрино, одни из самых странных и малоизученных фундаментальных частиц в природе, почти не имеют массы. Считалось, что они совершенно безмассовые, но по данным проведенных экспериментов оказалось, что они имеют некоторую массу. Как много осталось загадкой! Сейчас же, по результатам новых проведенных расчетов установлен верхний предел массы самого легкого нейтрино.
Ученые отчаянно хотели бы знать точно, что нейтрино на самом деле хоть сколько-нибудь весят, что было бы жизненно важным ключом к разгадке, почему у них есть масса, учитывая, что они, кажется, приобретают ее отлично от прочих частиц: через поле Хиггса.
Новый предел массы получен в результате расчета, который объединил данные о распределении галактик по всей Вселенной, об остатках первых частиц, высвобожденных после большого взрыва, и измерениях сверхновых, отражающих скорость расширения космоса. В анализе также использовались лабораторные данные о нейтрино, такие как измерения скоростей, которые они переключают между вкусами, чтобы получить оценку максимального веса наименьшего из них: 0,086 вольт электрона, или 0,000000000000000000000000000015 килограмма, что делает его по крайней мере в шесть миллионов раз легче электрона.
"То, что они сделали - это действительно хорошая работа",
- говорит Ольга Мена из Института корпускулярной физики в Испании, которая работала над аналогичными расчетами. Андре де Гувеа, физик-теоретик из Северо-Западного университета, говорит:
"Это немного более детальный анализ космологических данных, чем люди делали раньше". Это довольно хорошая работа".
Результаты, первоначально размещенные на сервере препринтов arXiv.org, были опубликованы 22 августа 2019 года в Physical Review Letters (PRL). Другой лимит, рассчитанный аналогичными методами физиками Шоувиком Роем Чаудхури и Стином Ханнестадом, также был размещен на arXiv.org и в настоящее время находится на рецензировании в Журнале космологии и физики астрочастиц.
Космическая размытость
Почему дальние измерения галактик и сверхновых должны иметь какое-либо отношение к массе самой легкой частицы материи во Вселенной? Потому что нейтрино, хотя и маленькие, но оказывают гравитационное воздействие на все остальное через свою крошечную массу. Нейтрино имеют тенденцию притягивать с собой другие частицы, что приводит к общей размытости в распространении галактик по всему космосу.
"Это как если бы вы были близорукими и снимали очки",
- говорит Артур Лурейро из Университетского колледжа Лондона, первый автор исследования PRL.
"Они делают вещи размытыми. И степень этой размытости может сказать нам, сколько у нейтрино массы."
Оценка дополняет другие усилия по взвешиванию нейтрино, которые сосредоточены на лабораторных экспериментах. Например, недавний немецкий исследовательский проект КАТРИН направлен на измерение массы нейтрино путем наблюдения за бета-распадом, при котором нейтрон превращается в протон, высвобождая нейтрино и электрон. Тщательно измеряя энергию электрона, ученые могут сделать вывод о массе нейтрино. В отличие от космологических оценок, которые включают неопределенности от предположений о неизвестном, такой эксперимент более прямой.
"Он вроде как делает наименьшее количество предположений, но, к сожалению, сейчас он наименее чувствителен",
- говорит Формаджио, который работает над КАТРИН и подобными экспериментами.
Третий класс исследователей ищет легендарный процесс распада, известный как "беснейтральный двойной бета-распад", в котором два нейтрона становятся двумя протонами, высвобождая при этом ожидаемые электроны, но не соответствующие нейтрино. Это явление может произойти, если нейтрино окажутся своими частицами-партнерами по антивеществу - теоретическая возможность, но далекая от определенности. Если это так, то два нейтрино, высвобождаемых нейтрино, уничтожат друг друга, как это делают все материя и партнеры по антивеществу, когда они встречаются.