Результат эксперимента ставит лучшее ограничение на массу электронного антинейтрино mν < 1 эВ
Помимо фотонов, фундаментальных квантов света, нейтрино являются наиболее распространенными элементарными частицами во Вселенной. Наблюдение нейтринных осцилляций два десятилетия назад показало, что, вопреки прежним ожиданиям, они обладают небольшой ненулевой массой. Благодаря малым ненулевым массам нейтрино играют ключевую роль в космологии и физике элементарных частиц. Эти «легковесы» играют заметную роль в эволюции крупномасштабных структур во Вселенной, а также в мире элементарных частиц, где их малый массовый масштаб указывает на новую физику за пределами Стандартной модели.
В основе установки КАТРИН лежит электростатический спектрометр с адиабатической магнитной коллимацией, предложенный в 1983 году советскими физиками, членами-корреспондентами АН СССР В. М. Лобашевым и П. Е. Спиваком (V. M. Lobashev, P.E. Spivak Nucl. Instr. Meth. A240 (1885) 305). Новый подход позволил сочетать высокое разрешение спектрометра и неограниченную площадь безоконного газового источника молекулярного трития. Новый экспериментальный подход был реализован группой В. М. Лобашева на установке «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН, где в результате измерений в 1994–2003 гг. было получено ограничение на эффективную массу электронного антинейтрино на уровне 2,05эВ. (V. M. Lobashev Nucl. Phys A v.719 (2003), р. 153–160).
В конце 1990-х в связи с исчерпанием потенциала установки «Троицк ню-масс», использующей источник трития активностью 0,6 ГБк, группа В. М. Лобашева приступила к разработке проекта, получившего позднее название КАТРИН, и вошла в первоначальный состав участников, который был сформирован в 2001 году. Сейчас коллектив проекта КАТРИН, базирующегося в Институт технологий Карлсруэ, Германия, включает примерно 150 исследователей из 20 институтов семи стран.
Структура установки КАТРИН повторяет схему «Троицк ню-масс».
Чтобы поддерживать постоянное количество распадов в источнике, обязателен замкнутый цикл трития с высокой пропускной способностью. Для работы этого беспрецедентного источника высокой светимости требуется использовать всю инфраструктуру тритиевой лаборатории в Карлсруэ, внутри которой расположены собственно источник трития и система рециркуляции рабочего вещества. Находящийся в смежном здании огромный электростатический спектрометр длиной 24 м и диаметром 10 м действует как прецизионный фильтр для пропускания электронов с энергией выше тормозящего потенциала спектрометра. Только очень малая доля электронов вблизи граничной точки спектра несет информацию о массе нейтрино. Измерение переменного тормозящего электрического потенциала в диапазоне от 16 до 35 кэВ проводится на уровне точности в несколько ppm, что позволяет получить беспрецедентную точность в спектроскопии электронов распада трития.
Создание установки такого масштаба потребовало решения множества технических и даже логистических задач. В 2006 году был доставлен главный спектрометр установки.
в Технологический институт Карлсруэ
Чтобы поместить спектрометр в предназначенное для него помещение самым большим в Германии автокраном была снята крыша экспериментального зала, которая после загрузки спектрометра была возвращена на место.
В июне 2018 года начался запуск установки, которому была посвящена специальная церемония.
Анализ первого четырехнедельного цикла измерений на установке, проведенного весной 2019 года, привел к ограничению на эффективную массу электронного антинейтрино mν < 1 эВ, что превосходит по точности в 2 раза предыдущие лабораторные результаты. Продемонстрирован огромный потенциал новой установки по исследованию свойств нейтрино, связанный с использованием источника трития активностью примерно 100 ГБк, который будет реализован в ближайшие годы [1].
В настоящее время на установке КАТРИН продолжается набор статистики, и в самом ближайшем будущем следует ожидать дальнейшего улучшения предела на эффективную массу электронного антинейтрино.
Никита Титов,
вед. науч. сотр. ИЯИ РАН, от имени проекта КАТРИН
Фото Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Германия
А можно ли ожидать в обозримом будущем инструмента регистрации космических нейтрино, с помощью которого можно будет, ну например, рассмотреть зону термоядерного синтеза Солнца хоть с каким-то разрешением и в динамике? Ну про более далёкие экзотические объекты, для которых нейтрино несёт информацию об их внутренней структуре, я вообще молчу…