Финские физики добились рекордной точности при измерении энергии ядерных распадов: относительная погрешность составила менее одной миллиардной доли. Результат приближает учёных к ответу на ключевые вопросы нейтринной физики — какова масса нейтрино и является ли нейтрино собственной античастицей (то есть частицей Майораны).
Работу выполнила группа под руководством Юони Руотсалайнена (Университет Ювяскюля). Исследователи определили так называемое Q — энергию, высвобождающуюся при бета- и двойном бета-распаде ядер. Именно значение Q (по сути, разность масс исходного и дочернего атомов, умноженная на c2) задаёт кинематику распада и во многом определяет его вероятность и период полураспада. Чем точнее известно Q, тем надёжнее можно планировать эксперименты по поиску крайне редких процессов, связанных с нейтрино.
По Стандартной модели нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия, поэтому их свойства чрезвычайно трудно измерять. Уже установлено, что нейтрино имеют ненулевую массу, но её точное значение пока неизвестно — существуют лишь верхние пределы. Наблюдение безнейтринного двойного бета-распада (0νββ) одновременно указало бы на майорановскую природу нейтрино и подсказало бы механизм возникновения его массы.
В опыте были измерены Q трёх ядер: двух, претерпевающих двойной бета-распад, и одного с обычным бета-распадом. Измерения выполнены на установке JYFLTRAP — это двойная ловушка Пеннинга в ускорительной лаборатории Университета Ювяскюля и один из наиболее точных в мире инструментов для массовых измерений ионов.
Ловушка Пеннинга удерживает заряжённые частицы в статическом электрическом поле на фоне сильного однородного магнитного поля. В таком поле ион движется по круговой (циклотронной) траектории с частотой ωc=qB/m, где q — заряд иона, B — магнитная индукция, m — масса. Измерив разность циклотронных частот двух изотопов, можно найти их относительную разность масс. Команда использовала метод фазовой визуализации ионного циклотронного резонанса (PI-ICR): фаза вращения иона проецируется на позиционно-чувствительный детектор, и по сдвигу фаз определяют частоту с точностью лучше 10−9. Такой подход минимизирует систематические ошибки и даёт «мировой класс» точности.
Полученные данные были переданы теоретической группе, которая рассчитала ожидаемые периоды полураспада соответствующих каналов. Для многих двойных бета-распадов эти периоды настолько велики, что наблюдать достаточное число событий в реалистичные сроки крайне трудно, даже с большими массами детектируемого материала. Иначе говоря, вероятность распада при данных энергиях слишком мала для практических измерений массы нейтрино в ближайших экспериментах.
На этом фоне выделился изомер серебра-110 (Ag-110m): сочетание его значения Q, ядерных характеристик и рассчитанного периода полураспада делает этот изотоп перспективным кандидатом для будущих экспериментов по прямому определению массы нейтрино. Он может обеспечить более благоприятный баланс между наблюдаемостью событий и чувствительностью к искомым параметрам.
Итог работы двоякий. С одной стороны, уточнены фундаментальные параметры ядер, от которых зависят поиски 0νββ-распада и эксперименты по массе нейтрино. С другой — продемонстрированы возможности современной прецизионной спектрометрии: измерения с точностью до одной миллиардной существенно сужают неопределённости в расчётах и позволяют трезво оценивать, какие изотопы действительно пригодны для ближайших поколений нейтринных установок.
Публичная защита диссертации Юони Руотсалайнена «Высокоточные измерения Q для нейтринной физики с использованием ловушки Пеннинга JYFLTRAP» запланирована на 10 октября 2025 года в Университете Ювяскюля.