Нейтрино — одна из самых загадочных частиц Вселенной. Они повсюду, но почти не взаимодействуют с материей. Эти частицы играют ключевую роль в космологии, влияя на формирование галактик, и в физике элементарных частиц, указывая на существование пока неизвестных фундаментальных законов природы. Определение их массы — задача, от которой зависит понимание устройства материи и эволюции Вселенной.
Ведущий мировой проект по прямому измерению массы нейтрино — эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment). К работе привлечены ученые из международных институтов, а сам эксперимент базируется на прецизионном измерении энергии электронов, возникающих при бета-распаде трития — нестабильного изотопа водорода. Это позволяет напрямую оценить массу нейтрино, не опираясь на косвенные методы.
Уникальная экспериментальная установка KATRIN включает 70-метровую вакуумную линию и гигантский спектрометр диаметром 10 метров. Высокоинтенсивный источник трития обеспечивает рекордную точность измерений, ранее недостижимую для подобных экспериментов. Результаты работы опубликованы в журнале _Science_.
Последние данные KATRIN установили новый верхний предел массы нейтрино — 0,45 электронвольта на квадрат скорости света (0,45 эВ/с²), что соответствует 8 × 10⁻³⁷ килограмма. Это почти вдвое ниже значения 2022 года. Для достижения этого результата проанализированы данные пяти крупных измерительных кампаний, проведённых с 2019 по 2021 год. За 250 дней работы исследована примерно четверть всего ожидаемого объёма данных, а сам эксперимент стартовал в 2019 году.
С каждым годом качество данных неуклонно растёт. Как отмечает Катрин Валериус из Института технологии Карлсруэ (KIT), одна из руководителей эксперимента, «мы уже проанализировали около 25% всех данных, которые планируем получить». Сусанна Мертенс из Института ядерной физики Макса Планка и Технического университета Мюнхена подчёркивает, что «все параметры установки были оптимизированы для максимальной точности». Алексей Лохов (KIT), координатор анализа данных, обращает внимание на «исключительную точность и надёжность результатов». Кристоф Визингер (ТУ Мюнхен/МПИК) выделяет «использование новейших методов статистического анализа и искусственного интеллекта, что позволило существенно повысить информативность эксперимента».
Обработка данных KATRIN требует сложнейших вычислений, включающих современные алгоритмы и искусственный интеллект. Только так удаётся минимизировать погрешности и учитывать все возможные нюансы, влияющие на результат.
Эксперимент продолжит работу как минимум до конца 2025 года. По мере накопления данных и совершенствования методов анализа ожидается ещё более высокое повышение чувствительности и, возможно, новые фундаментальные открытия. Уже сейчас KATRIN перевыполнил предыдущие достижения в мировой практике по прямым измерениям массы нейтрино в четыре раза.
Сравнение массы нейтрино и электрона поражает: нейтрино как минимум в миллион раз легче электрона — самой лёгкой из известных заряжённых элементарных частиц. Почему существует столь колоссальная разница масс, до сих пор не объяснено ни одной теорией.
В ближайшие годы проект ждёт новое развитие. В 2026 году начнётся установка детекторной системы TRISTAN. Её задача — поиск стерильных нейтрино, гипотетических частиц, которые взаимодействуют ещё слабее, чем обычные нейтрино, и могут иметь массу в диапазоне килоэлектронвольт. Такие частицы считаются потенциальными кандидатами в тёмную материю. В рамках программы KATRIN++ планируется создать эксперимент следующего поколения для ещё более точного прямого определения массы нейтрино.
Эксперимент KATRIN уже изменил границы знаний о природе одной из самых неуловимых частиц Вселенной и продолжает открывать новые горизонты в физике элементарных частиц и космологии.
Изображение носит иллюстративный характер
Ведущий мировой проект по прямому измерению массы нейтрино — эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment). К работе привлечены ученые из международных институтов, а сам эксперимент базируется на прецизионном измерении энергии электронов, возникающих при бета-распаде трития — нестабильного изотопа водорода. Это позволяет напрямую оценить массу нейтрино, не опираясь на косвенные методы.
Уникальная экспериментальная установка KATRIN включает 70-метровую вакуумную линию и гигантский спектрометр диаметром 10 метров. Высокоинтенсивный источник трития обеспечивает рекордную точность измерений, ранее недостижимую для подобных экспериментов. Результаты работы опубликованы в журнале _Science_.
Последние данные KATRIN установили новый верхний предел массы нейтрино — 0,45 электронвольта на квадрат скорости света (0,45 эВ/с²), что соответствует 8 × 10⁻³⁷ килограмма. Это почти вдвое ниже значения 2022 года. Для достижения этого результата проанализированы данные пяти крупных измерительных кампаний, проведённых с 2019 по 2021 год. За 250 дней работы исследована примерно четверть всего ожидаемого объёма данных, а сам эксперимент стартовал в 2019 году.
С каждым годом качество данных неуклонно растёт. Как отмечает Катрин Валериус из Института технологии Карлсруэ (KIT), одна из руководителей эксперимента, «мы уже проанализировали около 25% всех данных, которые планируем получить». Сусанна Мертенс из Института ядерной физики Макса Планка и Технического университета Мюнхена подчёркивает, что «все параметры установки были оптимизированы для максимальной точности». Алексей Лохов (KIT), координатор анализа данных, обращает внимание на «исключительную точность и надёжность результатов». Кристоф Визингер (ТУ Мюнхен/МПИК) выделяет «использование новейших методов статистического анализа и искусственного интеллекта, что позволило существенно повысить информативность эксперимента».
Обработка данных KATRIN требует сложнейших вычислений, включающих современные алгоритмы и искусственный интеллект. Только так удаётся минимизировать погрешности и учитывать все возможные нюансы, влияющие на результат.
Эксперимент продолжит работу как минимум до конца 2025 года. По мере накопления данных и совершенствования методов анализа ожидается ещё более высокое повышение чувствительности и, возможно, новые фундаментальные открытия. Уже сейчас KATRIN перевыполнил предыдущие достижения в мировой практике по прямым измерениям массы нейтрино в четыре раза.
Сравнение массы нейтрино и электрона поражает: нейтрино как минимум в миллион раз легче электрона — самой лёгкой из известных заряжённых элементарных частиц. Почему существует столь колоссальная разница масс, до сих пор не объяснено ни одной теорией.
В ближайшие годы проект ждёт новое развитие. В 2026 году начнётся установка детекторной системы TRISTAN. Её задача — поиск стерильных нейтрино, гипотетических частиц, которые взаимодействуют ещё слабее, чем обычные нейтрино, и могут иметь массу в диапазоне килоэлектронвольт. Такие частицы считаются потенциальными кандидатами в тёмную материю. В рамках программы KATRIN++ планируется создать эксперимент следующего поколения для ещё более точного прямого определения массы нейтрино.
Эксперимент KATRIN уже изменил границы знаний о природе одной из самых неуловимых частиц Вселенной и продолжает открывать новые горизонты в физике элементарных частиц и космологии.
