Стандартна модель фізики елементарних частинок — одне із найразючіших досягнень науки. Це сумлінні й докладні зусилля, щоб зрозуміти та описати три з чотирьох основних сил Всесвіту: електромагнітну силу, сильну ядерну взаємодію та слабку ядерну взаємодію. Гравітація досі залишається за межами Стандартної моделі, оскільки її «приєднання» до трьох основних взаємодій у природі виявилося надзвичайно складним завданням.
Але в Стандартній моделі є деякі «білі плями», і одна з них вказує на те, що нейтрино має масу.
Існування нейтрино фізики передбачили в 1930 році, а в 1956 році виявили його. Відтоді фізики дізналися, що існує три типи нейтрино, їх дуже багато, але зареєструвати частинки важко. Виявити їх можна з допомогою спеціальних засобів, оскільки вони рідко взаємодіють з іншою речовиною. Існує кілька джерел цих частинок, тому деякі з них пронизують космос з часів Великого Вибуху, але більшість нейтрино поблизу Землі надходять із Сонця.
Стандартна модель передбачає, що нейтрино, як і фотони, не має маси. Але фізики виявили, що нейтрино трьох різних типів можуть перетворюватися одне в одного під час руху. На думку фізиків, такі перетворення можливі лише в тому разі, якщо нейтрино мають масу.
Графічне представлення Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Фото з сайту www.universetoday.com.
Але яка маса? Це намагаються з’ясувати фізики, зокрема й ті з них, що працюють з експериментом KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment).
Основою установки експерименту KATRIN є 10-метровий спектрометр високої роздільної здатності. Фото з сайту www.universetoday.com.
Група дослідників знайшла частину відповіді на це запитання: маса нейтрино не може перевищувати 1,1 електронвольт (еВ). Новий результат зменшує верхню межу маси нейтрино майже на 1 еВ; від 2 еВ до 1,1 еВ. Зважаючи на раніше виконані експерименти, що встановили значення нижньої межі маси в 0,02 еВ, дослідники з KATRIN встановили новий діапазон для маси нейтрино. Вона має бути менше 1/500 000-ї маси електрона. Це важливий крок на шляху вдосконалення Стандартної моделі.
«Знання маси нейтрино дасть змогу науковцям відповісти на фундаментальні питання космології, астрофізики та фізики елементарних частинок, наприклад, як розвивався Всесвіт або чи існує фізика за межами Стандартної моделі», — сказав Хаміш Робертсон (Hamish Robertson), професор фізики Вашингтонського університету, що бере участь в експерименті КАТРІН. «Ці результати колаборації KATRIN зменшують попередній діапазон маси нейтрино вдвічі, ставлять більш жорсткі критерії щодо того, якою є маса нейтрино, і відкривають шлях до остаточного її встановлення».
Науковці, які виконують експеримент KATRIN в Технологічному інституті м. Карлсруе, приїжджають до Німеччини з 20 різних науково-дослідних установ по всьому світу. Установку KATRIN оснащено 10-метровим спектрометром високої роздільної здатності, який дозволяє вимірювати енергію електронів з великою точністю.
Установка KATRIN оснащена спектрометром високої роздільної здатності, що дає змогу вимірювати електронвольти з великою точністю. На рисунку показано план та основні особливості експериментального обладнання KATRIN, встановленого в Технологічному інституті в Карлсруе. Фото з сайту www.universetoday.com.
Нейтрино, як відомо, важко виявити, навіть якщо цих частинок багато (більше тільки фотонів). Їхня назва вказує на те, що вони електрично нейтральні й тому виявити нейтрино надзвичайно важко. Є нейтринні обсерваторії, занурені глибоко в лід Антарктики та в старі шахти. Вони часто використовують важку воду, щоб «змусити» нейтрино вступити у взаємодію. Коли нейтрино взаємодіє з речовиною, виникає випромінювання Черенкова, яке можна зареєструвати.
Нейтрино майже неможливо виявити. Нейтринна обсерваторія, що має назву Лабораторія нейтрино IceCube, намагається їх зареєструвати, зануривши детектори на довгих тросах вглиб холодного, темного льоду Антарктики. У такий спосіб науковці пробують спостерігати рідкісні явища взаємодії нейтрино з іншою речовиною. На цьому зображенні показано надземну частину обсерваторії IceCube на Південному полюсі та схематичне розміщення детекторів нейтрино в товщі антарктичного льоду. Фото з сайту www.universetoday.com.
«Якщо ви наповните Сонячну систему аж у 50 разів далі, ніж орбіта Плутона, свинцем, то приблизно половина нейтрино, які виникли в ядрі Сонця, все одно залишить її не взаємодіючи з цим свинцем», — сказав Робертсон.
Історія нейтрино розвивалася внаслідок експериментів, зокрема й таких як KATRIN. Спочатку Стандартна модель передбачала, що в нейтрино немає маси. Але в 2001 р. два різні детектори показали, що маса цієї частинки не дорівнює нулю. Нобелівська премія з фізики 2015 року була присуджена двом науковцям, які показали: нейтрино може змінювати свій тип. Це також вказувало на те, що частинка має масу.
Установка KATRIN вимірює масу нейтрино опосередковано. Відбувається моніторинг розпаду тритію — високорадіоактивного ізотопу водню. В міру розпаду він випромінює пари частинок: електрон і антинейтрино. Разом вони несуть 18,560 еВ енергії.
Синє сяйво випромінювання Черенкова у Вдосконаленому випробувальному реакторі (Advanced Test Reactor) в штаті Айдахо. Фото з сайту www.universetoday.com.
У більшості випадків пари частинок ділять 18,560 еВ порівну. Але в рідкісних випадках електрон забирає більшу частину енергії, залишаючи для нейтрино її дуже мало. На такі випадки якраз і «полюють» науковців.
Зважаючи на рівність E = mс2, невелика кількість енергії, що залишається для нейтрино в цих рідкісних випадках, мусить дорівнювати його масі. Оскільки в експерименті KATRIN є можливість точно вимірювати енергію електрона, то є можливість також визначати масу нейтрино.
«Визначення маси нейтрино дасть змогу створити нову Стандартну модель», — сказав Пітер До (Peter Doe), професор фізики Вашингтонського університету, який бере участь в експерименті KATRIN.
Ця нова Стандартна модель, про яку говорить До, може мати потенціал для з’ясування природи темної матерії, що становить більшу частину всієї матерії у Всесвіті. Такі зусилля, як KATRIN, можуть одного дня виявити інший, четвертий тип нейтрино, яке називають стерильним нейтрино. Досі цей четвертий тип є лише припущенням, але такі частинки є кандидатом у носія темної матерії.
Комп’ютерне моделювання розподілу матерії у Всесвіті. Світло-коричневим кольором позначено ділянки з галактиками, а синім — газ і темну матерію. Можливо, існує четвертий тип досі невиявленого нейтрино, яке називають стерильним нейтрино. Воно могло б бути носієм всієї темної матерії у Всесвіті. Фото з сайту www.universetoday.com.
«Нейтрино — це дивні маленькі частинки», — сказав До. «Вони такі всюдисущі, і ми можемо багато чого зрозуміти, коли визначимо це значення».
Показати, що нейтрино має масу та обмежити її діапазон, є важливими. Але фізики, які працюють в галузі елементарних частинок, досі не знають, як нейтрино отримують свою масу. Це, мабуть, відбувається інше, ніж у випадку з іншими частинками.
Такі результати, як від KATRIN, допомагають закрити «білі плями» в Стандартній моделі та в нашому загальному розумінні Всесвіту. Він заповнений стародавніми нейтрино з епохи Великого Вибуху, а тому кожен крок на шляху до з’ясування маси нейтрино допомагає науковцям зрозуміти, як формувався і розвивався Всесвіт.
Команда експерименту KATRIN представила свої результати 13 вересня 2019 р. на конференції «Теми з астрочастинок та підземної фізики 2019», що відбулася в Японії.
За інф. з сайту www.universetoday.com підготував Іван Крячко
