Хоча безпосередні перспективи виявлення легких стерильних нейтрино суттєво потьмяніли, пошуки ще не завершені. Експеримент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) надав нові дані щодо стерильних нейтрино. Нейтрино — це надзвичайно дивні частинки. Хоча мільярди з них, народжені в результаті космічних подій або ядерних реакцій, щосекунди проходять крізь ваше тіло, вони майже не залишають жодних спостережуваних слідів.
Стандартна модель фізики частинок визнає три типи нейтрино: електронне, мюонне та тау-нейтрино. Спостереження того, що ці частинки можуть «осцилювати», тобто змінювати свою ідентичність під час руху, довело, що вони мають масу — відкриття, відзначене Нобелівською премією. Проте вчених давно непокоїла одна загадка. Невеликі, незрозумілі дефіцити у вимірюваннях нейтрино з ядерних реакторів та спеціалізованих джерел натякали на існування чогось більшого.
Чи може існувати четверте, «стерильне» нейтрино, яке взаємодіє ще слабше, ніж його і без того «сором’язливі» родичі? Таке відкриття переписало б підручники з фізики й, можливо, навіть пояснило б загадкову темну матерію, що утримує галактики разом. Експеримент KATRIN провів «найточніший прямий пошук» цієї частинки, вимірюючи енергетичний спектр електронів, що виникають під час бета-розпаду тритію. Наявність стерильного нейтрино мала б спричинити характерний «злам» у цьому спектрі.
Найчутливіші дані KATRIN
Експеримент KATRIN, розташований в Інституті технологій Карлсруе в Німеччині, — це масштабна установка завдовжки 70 метрів, створена для високоточної фізики частинок. Він працює, використовуючи газове джерело тритію з високою світністю для одержання електронів у процесі бета-розпаду, спектрометр високої роздільної здатності для вимірювання їхньої енергії та детектор для їхнього підрахунку.
Починаючи з 2019 року, KATRIN вимірює енергетичний спектр бета-розпаду тритію, спеціально шукаючи характерне викривлення або «злам», що вказував би на випромінювання — а отже, й існування — четвертого, важчого, стерильного нейтрино.
Команда Інституту ядерної фізики Макса Планка зафіксувала 36 мільйонів електронів за 259 днів у період з 2019 по 2021 рік. Ця робота є найчутливішим на сьогодні пошуком стерильних нейтрино за допомогою бета-розпаду тритію.
З точністю вимірювань менше ніж один відсоток вдалося отримати надзвичайно «чисті» дані, фактично усунувши фоновий шум. Однак результати не показали жодних слідів стерильного нейтрино. Це остаточне невиявлення напряму суперечить попереднім натякам і повністю спростовує заяви таких експериментів, як Neutrino-4, що повідомляли про позитивні докази існування такого сигналу.
«Наш новий результат повністю доповнює реакторні експерименти, такі як STEREO», — заявив Тьєррі Лассере (Інститут ядерної фізики Макса Планка) в Гайдельберзі, який очолював аналіз.
«Тоді як реакторні експерименти найбільш чутливі до розщеплення мас між стерильними та активними нейтрино нижче кількох еВ², KATRIN досліджує діапазон від кількох до кількох сотень еВ². Разом ці два підходи тепер узгоджено виключають існування легких стерильних нейтрино, які помітно змішувалися б із відомими типами нейтрино», — пояснив Лассере.
Пошуки цих невловимих частинок тривають
Хоча найближчі перспективи відкриття легких стерильних нейтрино значно зменшилися, пошуки не припиняються.
«До завершення збору даних у 2025 році KATRIN зафіксує понад 220 мільйонів електронів у досліджуваній області, збільшивши статистику більш ніж у шість разів. Це дозволить нам розширити межі точності та дослідити кути змішування нижче нинішніх обмежень», — сказала Катрін Валеріус, співкерівниця експерименту KATRIN.
У 2026 році масштабне оновлення під назвою TRISTAN повністю трансформує KATRIN.
Детектор нового покоління безпосередньо вимірюватиме повний спектр бета-розпаду тритію. Це відкриє нове «вікно» для дослідження значно більших мас стерильних нейтрино — потенційно навіть у загадковому діапазоні кеВ, де ці частинки можуть пояснювати темну матерію Всесвіту. Тож хоча поточні пошуки не дали результатів, «мисливці за примарними частинками» не здаються й готуються до нового етапу.
Дослідження було опубліковане в журналі Nature