Германские
физики определят вес самой легчайшей материи во Вселенной
17 октября 2016
г.
На
этой неделе в Германии начал работу эксперимент KATRIN, в рамках которого
ученые из Технологического института Карлсруэ попытаются определить массу
нейтрино, легчайшей формы материи во Вселенной, сообщает пресс-служба
заведения.
Нейтрино
представляют собой мельчайшие элементарные частицы, которые
"общаются" с окружающей материей только посредством гравитации и так
называемых слабых взаимодействий, проявляющихся лишь на расстояниях,
существенно меньше размеров ядра атома. В середине прошлого века ученые открыли
три вида таких частиц — тау, мюонные
и электронные нейтрино и их "злые близнецы"-антинейтрино.
Наблюдения
за Солнцем в 1960 годах и эксперименты нобелевских лауреатов Артура Макдональда
и Такааки Каджиты раскрыли
две важные вещи – то, что нейтрино разных видов умеют периодически превращаться
друг в друга – этот процесс ученые называют "осцилляциями" и то, что
они обладают ненулевой массой. С тех пор ученые наблюдают за этим процессом,
пытаясь вычислить массу нейтрино по тому, как "охотно" разные типы
этих частиц превращаются в два других их вида.
Германские
физики решили подойти к этой проблеме с обратной стороны – в рамках
эксперимента KATRIN они попытаются вычислить массу "неуловимых"
частиц при помощи своеобразного метода исключения.
Ключом
к ней служат атомы трития – тяжелого изотопа водорода, в ядре которого
содержится два нейтрона и один протон. Тритий нестабилен по своей природе, и со
временем он превращается в гелий-3, испуская при этом один электрон и
электронное антинейтрино. В соответствии с законом сохранения энергии, "осколки"
распавшегося ядра будут иметь в сумме ту же энергию, что и оно само, что
позволяет вычислить массу неизвестной частицы, замеряя массы других фрагментов
деления.
Руководствуясь
этой простой идеей, немецкие ученые собрали гигантский "чан" с водой,
покрытый специальными фотодетекторами и источниками магнитных полей, в начале которого находится небольшая емкость с тритием. Когда
ядро тяжелого водорода распадается, рождающийся в результате этого электрон
"подхватывается" магнитными полями и отправляется на специальный
детектор, который измеряет его массу.
Подобные
измерения, по текущим планам физиков, будут идти около пяти лет, что позволит
накопить достаточно данных для того, чтобы измерить массу электрона с
точностью, превышающей 0,2 электронвольт (один электронвольт – величина энергии, примерно эквивалентная
массе в 10 в минус 36 степени килограмм).
Столь
высокая точность измерений нужна ученым по той причине, что масса нейтрино
крайне мала – последние эксперименты на детекторе KamLAND-Zen
показывают, что эти частицы могут весить в несколько раз или даже в десятки раз
меньше, чем предполагаемая их масса – около 1-2 электронвольт.
Несмотря на столь высокие требования, участники проекта, как передает журнал Symmetry, настроены оптимистично и ожидают получить первые
результаты уже в 2017 году.
Позже
к подобным измерениям могут подключиться американские ученые, занимающиеся
схожими, но несколько другими экспериментами с тритием в рамках проекта Project 8. Его чувствительность в теории будет выше, чем у
KATRIN, однако данный детектор еще только вступил в первые
фазы проектирования и постройки.