С помощью холодных детекторов физики уточнили массу нейтрино
Масса нейтрино очень мала и поддается плохо измерению — известен только верхний предел. Коллаборации, объединяющей немецкие и международные исследовательские группы, удалось уточнить его.
Для «взвешивания» призрачной частицы физики проекта «Эксперимент по электронному захвату в голмии-163» (ECHo) используют радиоактивный распад гольмия-163 (Ho-163). Результатами опытов они поделились в журнале Physical Review Letters.
Нейтрино — это элементарные частицы с чрезвычайно малой массой, не несущие электрического заряда. Из-за крайне слабого взаимодействия с веществом их свойства очень трудно поддаются изучению. В полной мере это относится и к массе. Ее определение может дать начало новым теоретическим моделям, выходящим за рамки Стандартной модели физики частиц, и тем самым помочь лучше понять эволюцию Вселенной, говорит руководившая исследованием профессор Лоредана Гастальдо.
Несколько исследовательских групп по всему миру пытаются установить масштаб массы нейтрино, анализируя радиоактивные распады. На сегодня наименьшее верхнее значение получено в рамках «Карлсруэского тритиевого нейтринного эксперимента» (KATRIN). Но по словам Гастальдо, этот эксперимент постепенно подходит к теоретическому пределу точности. ECHo же, задуманный как дополнение к результатам KATRIN, в перспективе должен добиться гораздо лучшей чувствительности.
В эксперименте ECHo ученые измеряют энергию, выделяющуюся при распаде гольмия-163. В этом процессе протон в ядре радиоактивного изотопа захватывает электрон. Взаимодействие этих двух частиц порождает нейтрон и «призрачное» нейтрино, которое вылетает с определенной энергией. Масса нейтрино вносит едва заметные изменения в распределение энергии возбуждения атома.
«По едва уловимым изменениям в измеренном энергетическом спектре мы можем делать выводы о массе нейтрино», — объясняет профессор.
По ее словам, гольмий-163 особенно хорошо подходит для таких измерений, поскольку при его распаде выделяется очень мало энергии. Это означает, что даже малейшие флуктуации формы спектра можно зафиксировать с помощью подходящих детекторов.
В экспериментах ECHo используются металлические магнитные калориметры, разработанные под руководством профессора Гастальдо. Их размер составляет примерно 200 микрометров, а работают они почти при абсолютном нуле — около 20 милликельвинов, что позволяет регистрировать мельчайшие перепады температур, возникающие из-за разницы в энергии.
Ионы гольмия имплантируются непосредственно в детекторы при помощи установки RISIKO Университета Иоганна Гутенберга в Майнце. Благодаря ее усовершенствованию в ходе последнего эксперимента, проведенного в Гейдельбергском университете, впервые удалось зарегистрировать около 200 миллионов распадов гольмия-163. В результате физикам удалось улучшить свои прежние результаты на порядок и вдвое превзойти «соперников» из коллаборации HOLMES, где тоже используют гольмий.
«Этот результат подтверждает значимость экспериментов ECHo и показывает, что в будущем станут возможны еще более масштабные исследования с использованием гольмия-163», — заключает Гастальдо.
Для этого количество детекторов увеличат с нынешних 100 до 20 000. На эти цели профессор получила престижный грант ERC Advanced Grant Европейского исследовательского совета.
