Физики сделали шаг к измерению массы нейтрино, что может прояснить ряд деталей в Стандартной модели физики частиц, пишет Live Science.
У нейтрино нет электрического заряда и почти нет массы, а значит, они пролетают сквозь обычную материю со скоростью, близкой к скорости света. Чтобы приблизиться к наиболее точному верхнему пределу массы нейтрино, исследователям пришлось разработать эксперимент с беспрецедентной чувствительностью.
Каждую секунду через каждый квадратный сантиметр вашего тела проходит около 100 миллиардов нейтрино. Впервые обнаруженные в 1956 году в ядерном реакторе, они уступают только фотонам (частицам света) как самые распространенные субатомные частицы во вселенной.
В прошлом физики предполагали, что у нейтрино (как и у фотонов) нет массы покоя, и этот факт делал их существование совместимым со Стандартной моделью физики частиц. Но это предположение было опровергнуто открытием нейтрино, вылетающих из Солнца, которые могут произвольно переключаться между тремя «вкусами» нейтрино – электронным, мюонным и тау-нейтрино, которые обозначают различные частицы. Такое превращение возможно только в том случае, если нейтрино обладают некоторой массой, что заставляет физиков разрабатывать сложные эксперименты по ее измерению.
Почти 99% массы любого объекта, включая наше собственное тело, приходится на энергию связи, удерживающую элементарные частицы вместе внутри атомов. 1% массы присущ этим частицам.
Чтобы найти эту внутреннюю массу, физики ищут так называемое значение Q – разницу между суммой масс исходных реагентов и суммой масс конечных продуктов. Имея это значение, дальнейшие измерения позволяют извлечь собственную массу из общей массы атома.
В одном из экспериментов по измерению массы нейтрино, Карлсруэском тритиевом нейтринном эксперименте (KATRIN) в Германии, была найдена точная оценка массы нейтрино путем измерения энергии – и, согласно E = mc2 Эйнштейна, разницы масс – при распаде сверхтяжелого водорода на гелий с испусканием электрона и нейтрино в процессе.
Лучший результат эксперимента KATRIN показал, что верхний предел массы нейтрино составляет 0.8 электронвольта, что примерно в 500,000 раз меньше массы электрона.
Это измерение можно провести и в обратном направлении, наблюдая, как электрон захватывается искусственным изотопом гольмия-163, превращается в диспрозий-163 и высвобождает нейтрино. Но для этого изотоп должен быть окружен атомами золота.
«Однако эти атомы золота могут оказывать влияние на гольмий-163. Поэтому важно как можно точнее измерить значение Q с помощью альтернативного метода и сравнить его со значением массы, определенным методом KATRIN, чтобы выявить возможные источники ошибок», – говорит Швайгер.
Чтобы приблизиться к отдельному измерению неуловимой массы нейтрино, исследователи разработали эксперимент Пенантрап – комбинацию из пяти «ловушек Пеннинга», которые могут захватывать атомы в комбинацию электрического и магнитного полей, в которых они раскачиваются в «танце по кругу».
Поместив заряженные ионы гольмия-163 и диспрозия-163 в ловушки Пеннинга и измерив тонкие различия в скорости их колебаний, физики определили разницу в их энергиях, вызванную дополнительным нейтрино.
В результате было измерено значение Q, которое, по словам исследователей, в 50 раз точнее, чем результат любого предыдущего эксперимента. С этим результатом верхний предел массы нейтрино стал еще на один крошечный, но важный шаг ближе.
Тем временем шведские ученые изобрели материал «голден», толщина которого – один атом. Его называют «братом» графена.