Нейтрино - одни из самых загадочных частиц во Вселенной. Они вездесущи, но крайне редко взаимодействуют с материей. В космологии они влияют на формирование крупномасштабных структур галактик, в то время как в физике элементарных частиц их крошечная масса служит индикатором ранее неизвестных физических процессов. Таким образом, точное измерение массы нейтрино необходимо для полного понимания фундаментальных законов природы.

Именно здесь вступает в действие эксперимент KATRIN с ее международными партнерами. КАТРИН использует бета-распад трития, нестабильного изотопа водорода, для оценки массы нейтрино. Распределение энергии электронов, образующихся в результате распада, позволяет напрямую кинематически определить массу нейтрино. Для достижения этой цели требуются высокоразвитые технические компоненты: в линии луча длиной 70 метров находится источник интенсивного трития, а также спектрометр высокого разрешения диаметром 10 метров. Эта передовая технология обеспечивает беспрецедентную точность прямых измерений массы нейтрино.

С учетом текущих данных эксперимента "КАТРИН" можно было бы получить верхний предел массы нейтрино в 0,45 электрон-вольт/^с2 (что соответствует 8 х 10-37 килограммам). Таким образом, по сравнению с последними результатами за 2022 год верхний предел может быть снижен почти в два раза.

Оценка полученных данных

Качество первых наборов данных неуклонно улучшалось с момента начала измерений в 2019 году. "Для получения этого результата мы проанализировали пять кампаний по измерению, общей продолжительностью около 250 дней сбора данных с 2019 по 2021 год - примерно четверть от общего объема данных, ожидаемых от KATRIN", - объясняет Кэтрин Валериус (KIT), одна из двух сопредседательниц эксперимента. Сюзанна Мертенс (Институт ядерной физики Макса Планка (MPIK) и Мюнхенский технический университет (TUM)) добавляет: "С каждой кампанией мы получали новые знания и еще больше оптимизировали условия эксперимента".

Оценка чрезвычайно сложных данных представляла собой огромную проблему и требовала высочайшего уровня точности от международной команды по анализу данных. "Анализ данных KATRIN очень требователен, поскольку требуется беспрецедентный уровень точности", - подчеркивает Алексей Лохов (KIT), координатор совместного анализа. Кристоф Визингер (TUM/MPIK), координатор совместного анализа, добавляет: "Нам необходимо использовать самые современные методы анализа, при этом решающую роль играет искусственный интеллект".

Перспективы будущих измерений

Исследователи с оптимизмом смотрят в будущее: "Наши измерения массы нейтрино будут продолжаться до конца 2025 года. Благодаря постоянному совершенствованию эксперимента и анализа, а также увеличению объема данных мы ожидаем еще более высокой чувствительности". - и, возможно, новых революционных открытий", - говорит команда KATRIN. KATRIN уже лидирует в мировой области прямых измерений массы нейтрино и своими исходными данными превзошла результаты предыдущих экспериментов в четыре раза. Последние данные показывают, что нейтрино по меньшей мере в миллион раз легче электронов, самых легких электрически заряженных элементарных частиц. Объяснение этой огромной разницы в массах остается фундаментальной задачей для теоретической физики элементарных частиц.

В дополнение к точному измерению массы нейтрино КАТРИН уже планирует следующий этап. Начиная с 2026 года, будет установлена новая детекторная система TRISTAN. Это усовершенствование эксперимента позволит провести поиск стерильной, гипотетической частицы, которая взаимодействует еще слабее, чем известные нейтрино. Стерильные нейтрино с массой в диапазоне кэВ/с2 являются потенциальным кандидатом на темную материю. Кроме того, KATRIN++ запустит программу исследований и разработок, направленную на разработку концепций эксперимента следующего поколения, способного обеспечить еще более точные прямые измерения массы нейтрино.