Эксперимент KATRIN и существование стерильного нейтрино
Согласно недавней публикации в журнале «Nature», масштабный эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino), предназначенный для поиска особых нейтрино – стерильных, не обнаружил следов этой гипотетической частицы в области масс до 30 еV (электронвольт). Результаты, полученные большой международной командой ученых, стали наиболее точными на сегодняшний день и опровергают ряд более ранних исследований, которые указывали на возможное существование этой частицы в диапазоне масс от 1 до 30 еV.
Не лишне напомнить, что нейтрино – самая необычная среди элементарных частиц. Ежесекундно через тело каждого человека проходят миллиарды нейтрино, рожденные в космических процессах или в ядерных реакциях на Земле, но мы этого не чувствуем. Нейтрино практически не взаимодействуют с веществом. Стандартная модель физики частиц описывает три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Способность этих частиц к осцилляциям, то есть к превращению друг в друга, доказывает, что они обладают массой, правда, крайне малой. Вместе с тем некоторые аномалии в поведении нейтрино, обнаруженные в ряде экспериментов с ядерными реакторами, породили гипотезу о существовании четвертого, «стерильного» нейтрино, которое взаимодействует с материей еще слабее, чем известные типы, но при этом заметно тяжелее их. Это «тяжелое», или «стерильное», нейтрино стало одним из кандидатов на частицу темной материи.
Эксперимент KATRIN, расположенный в Технологическом институте Карлсруэ в Германии, был специально создан для проверки этой гипотезы. Он представляет собой 70-метровую установку, использующую тритий для получения электронов в процессе бета-распада. Сверхточный спектрометр измеряет энергию этих электронов. Если бы стерильное нейтрино существовало, оно оставило бы характерный «излом» в спектре их энергии. В ходе сеанса, длившегося 259 дней в период с 2019 по 2021 год, ученые зафиксировали 36 миллионов электронов. Погрешность измерений снизилась до доли процента, что позволило практически полностью исключить фоновый шум. Однако в полученных данных не было обнаружено никаких признаков существования легкого стерильного нейтрино. Этот результат прямо противоречит данным некоторых предыдущих экспериментов, таких как Neutrino-4. Как отметил руководитель группы анализа Тьерри Ласерр из Института ядерной физики имени Макса Планка, результат KATRIN полностью согласуется с данными других установок, например, реакторного эксперимента STEREO. Вместе эти исследования надежно исключают существование легких стерильных нейтрино, которые могли бы заметно смешиваться с известными типами. Несмотря на текущие нулевые результаты, охота на неуловимые частицы не прекращается. К концу 2025 года команда KATRIN планировала накопить в шесть раз больше данных, что повысило точность измерений. А в 2026 году запланирована крупная модернизация установки под названием TRISTAN. Она откроет новый этап исследован