автор Сэм Джарман, Phys.org
Несмотря на то, что нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной, они остаются одними из самых малоизученных. Одна из самых больших загадок — их масса: хотя эксперименты показали, что у нейтрино должна быть какая-то масса, определить ее точное значение оказалось чрезвычайно сложно.
Группа физиков под руководством Валентины Тоццини из Института нанонауки в Пизе опубликовала новые теоретические расчеты в журнале Physical Review C, согласно которым графен, пропитанный тритием, может дать будущим экспериментаторам решающее преимущество в измерении массы нейтрино с беспрецедентной точностью.
Тайна нейтринных осцилляций
Нейтрино бывают трех типов, или «ароматов» (электронное, мюонное и тау-нейтрино), но не остаются постоянно в одном из них. По мере движения в пространстве частицы спонтанно переходят из одного типа в другой. Это загадочное явление физики назвали «нейтринными осцилляциями». Этот эффект особенно загадочен, поскольку он может возникать только в том случае, если разные типы нейтрино имеют немного различающуюся массу. Это означает, что нейтрино не могут быть полностью безмассовыми, но поскольку осцилляции показывают только разницу в массах, а не их абсолютные значения, фактическая масса каждого типа нейтрино остается неизвестной.
На данный момент эксперименты показали, что масса находится где-то в районе 0,45 электронвольт (примерно в миллион раз меньше массы электрона), но измерить ее напрямую пока не удалось.
Помощь от распадающегося трития
Один из наиболее перспективных способов прямого измерения основан на радиоактивном бета-распаде трития: редком изотопе водорода, содержащем два нейтрона и один протон. При распаде этот атом испускает электрон и антинейтрино, распределяя между ними доступную энергию. Поскольку нейтрино уносит с собой лишь малую часть этой энергии, более тяжелое нейтрино оставляет едва заметный след в энергии испускаемого электрона.
Измеряя с высокой точностью миллионы таких электронов, физики могут вычислить массу нейтрино. Сложность заключается в том, что этот след проявляется только в чрезвычайно узком диапазоне энергий электронов, для чего требуется мощный источник трития и исключительно высокое энергетическое разрешение.
Улавливание отскакивающего гелия
В своем исследовании команда Тоццини использовала расчеты на основе фундаментальных принципов квантовой механики для создания модели. С помощью этого теоретического подхода они смогли изучить, что происходит с атомами трития при бета-распаде, когда они связаны с графеновым листом толщиной в один атом.
Ключевой вывод ученых заключается в том, что плотная атомная решетка графена подавляет отдачу ядра гелия-3, образующегося при распаде, благодаря чему большая часть энергии распада сохраняется и может быть измерена в исходящем электроне. Это напоминает хорошо известный эффект в гамма-спектроскопии, когда ядра, заключенные в твердое тело, испускают излучение с исключительно четкими спектральными характеристиками.
Как раз вовремя для PTOLEMY
Эти результаты были получены незадолго до ожидаемого запуска эксперимента PTOLEMY в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. В эксперименте используется именно такой тритированный графен, и ожидается, что он обеспечит энергетическое разрешение, необходимое для выявления особенностей, которые предсказывает команда.
Если теоретические предположения команды подтвердятся, то с помощью PTOLEMY и аналогичных экспериментов следующего поколения можно будет наконец измерить абсолютные массы всех трех типов нейтрино, что в конечном итоге позволит устранить один из самых давних пробелов в нашем понимании самых распространенных частиц во Вселенной.
Эта статья, написанная для вас нашим автором Сэмом Джарменом, отредактированная Сэди Харли, проверенная на достоверность и одобренная Робертом Иганом, — результат кропотливой работы.
Сведения о публикации
Андреа Казале и др., «Спектр β-распада тритированного графена: сочетание ядерной квантовой механики с теорией функционала плотности», Physical Review C (2026). DOI: 10.1103/gr8x-lf9f
Информация о журнале: Physical Review C