Самая точная мера в истории приближает нас к знанию истинной массы «призрачной» частицы

Масса покоя призрачных нейтрино — одна из самых востребованных величин в физике элементарных частиц, которую ученые стали на шаг ближе к точному определению благодаря новому эксперименту, проведенному исследователями из Института ядерной физики Макса Планка в Германии.

Если бы масса нейтрино была известна, это могло бы открыть дверь в физику за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает все известные силы и элементарные частицы во Вселенной.

Сказать, что нейтрино странные вещи, значит не сказать ничего. Когда-то предполагалось, что эта едва существующая частица вообще не имеет массы, теперь стало ясно, что эта едва существующая частица на самом деле представляет собой три типа в одном, с идентичностями, которые колеблются в странном квантовом размытии, когда они мчатся в пространстве. Эта мерцающая идентичность подразумевает наличие массы, которая также проявляется в различных формах, размазанных по изменяющемуся облику нейтрино.

Будучи такими легкими и странными, нейтрино не могут играть по тем же правилам, что и другие частицы. Точное сложение размытия его невероятно малых масс может даже помочь подтвердить и исключить новые модели в физике элементарных частиц.

Однако физики не могут просто взвесить грозди неподвижных нейтрино, как виноград, сидящий на весах. Вместо этого они могут только подтверждать присутствие таких субатомных частиц, глядя на их взаимодействия с другими частицами или путем измерения произведений их разлагаться. Частица может существовать только на кратчайший момент но за это время она оставляет свой след или след, по которому физики могут сделать вывод о массе.

Однако, не имея заряда и практически не обладая гравитационным притяжением, нейтрино оказывают лишь самые слабые силы на другие частицы. На самом деле, прямо сейчас через ваше тело проносятся миллиарды нейтрино, большинство из них на пути от Солнца, но они редко взаимодействуют с нами.

Однако то, что они так мало влияют на другие субатомные частицы, не делает этого. Это означает, что нейтрино не являются фундаментальной частью материи. Это наиболее распространенные частицы, имеющие массу во Вселенной, и знание того, что придает этим вариациям нейтрино такие крошечные, ненулевые массы покоя, могло бы помочь физикам сгладить или понять некоторые противоречия Стандартной модели, которые нейтрино присутствуют в как они колеблются.

Физики постоянно уточняют свои лучшие оценки верхних пределов индивидуальных и коллективных масс нейтрино, используя различные методы. Самое точное измерение «аромата», называемого электронным нейтрино, показало, что его энергия не может превышать 0,8 электронвольта. Если перевести это в массу относительно 1 килограмма (или 2,2 фунта), то это будет равно весу четырех изюминок по сравнению с Солнцем.

Последние оценки были сделаны в феврале 2022 года в ходе тритиевого нейтринного эксперимента в Карлсруэ ( KATRIN) в Германии, полученный на основе распыления электронов и нейтрино, высвобождаемых в результате распада сверхтяжелой формы водорода.

Другой способ получить массу нейтрино, пусть и небольшую, — это изучить, что происходит, когда Атомное ядро ​​искусственного изотопа гольмия-163 поглощает электрон из своей внутренней оболочки. В результате протон превращается в нейтрон, образуется элемент диспрозий-163 и высвобождается нейтрино.

Физики могут затем измерить полную энергию, выделяющуюся при этом распаде, с помощью своего рода калориметра, и сделать вывод о массе «недостающего» нейтрино, улетевшего в эфир, на основе полной массы атома и знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc², где масса и энергия эквивалентны. p>

Это рассчитывается как так называемое значение Q: разница в энергии, которую можно перевести в массу, «отсутствующую» в общей сумме атомных частиц после реакции распада. Эта разница в массе интерпретируется как нейтрино.

Однако атомы золота, в которые встроен гольмий-163, могут влиять на эту реакцию распада, объясняет Кристоф Швайгер, физик из Института ядерной физики Макса Планка и ведущий автор нового исследования.

«Поэтому важно как можно точнее измерить значение Q, используя альтернативный метод, и сравнить его со значением, определенным калориметрически, чтобы обнаружить возможные систематические источники ошибка», — говорит он.

Для этого Швайгер и его коллеги поставили эксперимент, в котором объединили пять так называемых ловушек Пеннинга, сложенных одна поверх другой внутри сверхпроводящего магнита, помещенного в вакуум и погруженного в воду. в жидком гелии при температуре около 4 градусов Кельвина (-269,1°C или -452,5°F).

Все эти усилия помогают защитить оборудование и сделать его достаточно чувствительным, чтобы улавливать частицы в ловушки Пеннинга и измерять тонкие различия в энергии между заряженным гольмием-163 и диспрозием-163. 163 иона.

«На Airbus A-380 с максимальной нагрузкой вы можете использовать эту чувствительность, чтобы определить, упала ли на него хоть одна капля воды», — говорит Швайгер.

На самом деле, исследователи измерили поступающие ионы гольмия-163 и полученные ионы диспрозия-163 и получили значение Q 2863,2  ±  0,6 eV c^-2, что в 50 раз точнее, чем предыдущие усилия, в результате которых было получено значение 2833  ±  34 эВ c^-2.

Использование более точного и независимо измеренного значения Q в сочетании с другими экспериментальными результатами «жизненно важно для оценка систематических неопределенностей в определении массы нейтрино», — пишут Швайгер и его коллеги в своей опубликованной статье.

Хотя это всего лишь одна часть головоломки, повышенная точность таких мер, как Q, может сочетаться с широким разнообразием подходов. чтобы понять, почему странные, мерцающие призраки мира частиц ведут себя как полтергейсты.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.