Нейтрино, вероятно, являются самыми загадочными и экзотическими частицами в нашей Вселенной. В космологии они играют важную роль в формировании самых крупномасштабных структур, а в физике элементарных частиц крайне малая, но отличная от нуля масса нейтрино является указателем на новые законы и явления, лежащие далеко за пределами существующих теорий. Но, без точного измерения значения массы нейтрино все существующие теории, определяющие наше понимание Вселенной, так остаются не до конца полными.
Проблемой измерения массы частиц нейтрино занимаются ученые из нескольких стран, работающие в рамках эксперимента KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino), проводимого в Технологическом институте Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) в Германии. Основой этого эксперимента является самый высокочувствительный на сегодняшний день датчик нейтрино, в котором используется процесс бета-распада трития, нестабильного изотопа водорода. Собираемые этим датчиком данные позволяют вычислить массу нейтрино через энергетическое распределение электронов, высвобожденных во время распада.
Но высокая чувствительность оборудования эксперимента KATRIN, как говорится, "требует жертв". Длина всего эксперимента составляет 70 метров, на которых располагается самый производительный и интенсивный источник трития и гигантский спектрометр, позволяющий измерить с беспрецедентной точностью энергию электронов.
Научные измерения эксперимента KATRIN стартовали в 2019 году, но периодически производились процедуры модернизации оборудования, за счет чего точность производимых измерений постоянно повышалась. А команда ученых-аналитиков проделала вообще титаническую работу, исследуя в мельчайших подробностях даже самые из незначительных эффектов, проявляющихся в собранных данных.
Экспериментальные данные, собранные за время первого года проведения эксперимента KATRIN, последовавший за этим анализ и череда компьютерных моделирований показали, что все наблюдаемые эффекты и явления полностью соответствует массе нейтрино, не превышающей значения в 0.8 эВ (электронвольта). Отметим, что получение такого значения стало первым разом в истории науки, когда масса частицы оказалась в диапазоне суб-электронвольта, в котором, как подозревают ученые и находится фундаментальный теоретический предел массы частиц нейтрино.
Согласно имеющимся данных, эксперименты по измерению массы нейтрино будут продолжаться до 2024 года. Собранные дополнительные данные позволят увеличить статистические показатели "сигнальных" событий, снизить уровень помех и шумов, а значит, еще больше увеличить точность измерений. С 2025 года, когда будет закончена установка новой системы датчиков TRISTAN, эксперимент KATRIN начнет поиск так называемых стерильных нейтрино, масса которых находится в диапазоне килоэлектронвольт. А эти частицы, в свою очередь, уже являются одними из кандидатов на звание частиц темной материи, и их обнаружение позволит разрешить целый ряд фундаментальных загадок из области космологии и астрофизики