Нейтрино – это фундаментальная частица, рождающаяся в звездах и ядерных реакторах. Она движется со скоростью света и почти не взаимодействует с веществом. Существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Способность нейтрино переключаться между этими типами («ароматами») указывает на наличие у нее массы, однако точное значение этой массы до сих пор неизвестно. Знание массы нейтрино важно для понимания устройства Вселенной, включая такие загадки, как природа темной материи. Тот факт, что у нейтрино есть масса, уже потребовал пересмотра Стандартной модели физики элементарных частиц.
Ученые эксперимента KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) добились нового успеха в определении верхнего предела массы нейтрино. В эксперименте KATRIN, проводимом на 70-метровой установке в Германии, для измерения массы нейтрино используется бета-распад трития – радиоактивного изотопа водорода. При бета-распаде нейтрон в ядре трития превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино (аналог электронного нейтрино с противоположными квантовыми свойствами).
Антинейтрино практически не взаимодействует с веществом и не может быть зарегистрировано напрямую. Однако при распаде выделяется определенное количество энергии, распределяемое между электроном и антинейтрино. Измеряя энергию электрона и анализируя энергетический спектр, ученые могут определить верхний предел массы нейтрино.
Несмотря на кажущуюся простоту идеи, эксперимент KATRIN чрезвычайно сложен. Проанализировав данные о 36 миллионах электронов, собранные за 259 дней в период с 2019 по 2021 год, ученые установили новый верхний предел массы нейтрино – 0,45 электронвольта (менее одной миллионной массы электрона). Это самое точное значение на сегодняшний день.
Ожидается, что в 2025 году, после 1000 дней сбора данных, KATRIN позволит уточнить массу нейтрино до 0,3 электронвольта, что соответствует теоретическим предсказаниям. Кроме того, эти данные помогут проверить гипотезы о существовании новых частиц, таких как стерильное нейтрино и реликтовое нейтрино.
В будущем KATRIN будет модернизирован. Параллельно разрабатываются другие эксперименты по измерению массы нейтрино, такие как Project-8, QTNM, PTOLEMY и ECHo.