Нейтрино — это элементарные частицы, которые, согласно стандартной модели физики элементарных частиц, не имеют массы, однако наблюдаемые их осцилляции указывают на то, что у них действительно есть масса, которая очень мала. Ещё одной особенностью этих частиц является их слабое взаимодействие с другими частицами, что существенно затрудняет их обнаружение традиционными экспериментальными методами.
Эксперимент KATRIN (тритиевые нейтрино в Карлсруэ) — это крупномасштабная исследовательская работа, направленная на точное измерение эффективной массы электронного антинейтрино с использованием современных приборов, расположенных в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) в Германии.
Исследователи, участвовавшие в этом эксперименте, недавно опубликовали в Physical Review Letters результаты нового анализа данных второй измерительной кампании , которые устанавливают новые ограничения на взаимодействия с участием нейтрино, которые могут возникать из-за неизвестной физики, не объяснимой стандартной моделью, также известной как общие взаимодействия нейтрино.
«Мы знаем, что физика за пределами стандартной модели (BSM) скрывается в нейтринном секторе, но пока не знаем, как она выглядит», — рассказала Phys.org Кэролайн Фенглер, ведущий аналитик этого исследования. «Именно это мотивировало нас в прошлом искать различные явления в физике BSM с помощью KATRIN, такие как лёгкие и тяжёлые стерильные нейтрино и нарушения лоренц-инвариантности».
«Теоретическая работа группы Вернера Родейоганна затем дала нам стимул расширить наш поиск на любые возможные новые взаимодействия нейтрино, которые могли бы способствовать слабому взаимодействию бета-распада».
Новые взаимодействия, которые начали искать исследователи, могут указывать на существование различных интересных физических явлений за пределами этой области, которые не предсказываются стандартной моделью физики элементарных частиц , но широко изучаются теоретиками. Например, они могут указывать на присутствие различных гипотетических частиц, включая правополяризованные W-бозоны, заряженные бозоны Хиггса и лептокварки.
«Основная цель эксперимента KATRIN — измерение массы нейтрино», — пояснил Фенглер. «Это достигается посредством высокоточного измерения энергетического спектра электронов, образующихся при бета-распаде трития, с использованием высокоактивного источника трития и уникального электронного спектрометра. Форма зарегистрированного бета-спектра содержит информацию о массе нейтрино и других аспектах физики BSM».
В частности, предсказывается, что общие взаимодействия нейтрино приводят к характерным деформациям формы так называемого бета-спектра, представляющего собой распределение энергии электронов, испускаемых при радиоактивном распаде, известном как бета-распад. Поэтому коллаборация KATRIN приступила к поиску этих деформаций бета-спектра в данных, собранных в ходе эксперимента.
«Используя лишь небольшую часть (5%) окончательного набора данных KATRIN, мы уже смогли установить конкурентные ограничения на некоторые из исследованных новых взаимодействий нейтрино по сравнению с глобальными ограничениями, полученными в других экспериментах с низкими энергиями», — сказал Фенглер. «Это показывает, что эксперимент KATRIN чувствителен к этим новым взаимодействиям».
Хотя эксперимент KATRIN пока не обнаружил признаков взаимодействия нейтрино общего характера, он установил конкурентные ограничения на силу этих новых и трудноуловимых взаимодействий, используя новый экспериментальный подход. Коллаборация KATRIN надеется, что эти ограничения будут способствовать будущему поиску физики за пределами стандартной модели.
«Мы уже работаем над дальнейшим повышением нашей чувствительности к общим взаимодействиям нейтрино с помощью KATRIN, расширяя набор данных и совершенствуя наш подход к анализу», — добавил Фенглер. «С началом предстоящей фазы TRISTAN на KATRIN в 2026 году, которая направлена на поиск стерильных нейтрино в кэВ-диапазоне с помощью модернизированного детектора, мы получим доступ к ещё одному мощному набору данных, который обещает значительно повысить нашу чувствительность в будущем».
