Неутрине је изузетно тешко открити, али они су међу најраспрострањенијим честицама материје у Универзуму. Према Стандардном моделу физике честица, постоје три познате врсте. Та слика се променила када су научници открили осцилације неутрина, феномен који показује да неутрини имају масу и да могу да мењају типове док се крећу кроз свемир. Током година, неколико необјашњивих експерименталних резултата подстакло је спекулације о четвртој варијанти познатој као стерилни неутрино, која би деловала још слабије од осталих. Потврђивање његовог постојања означило би велики помак у нашем разумевању фундаменталне физике.
Нова студија објављена у Природа извештава о најпрецизнијој директној потрази за стерилним неутринама до сада. Рад потиче од КАТРИН сарадње, која је анализирала радиоактивне распаде трицијума да би потражила суптилне знакове додатног типа неутрина.
Експеримент КАТРИН (Карлсрухе Тритиум Неутрино) првобитно је дизајниран за мерење масе неутрина. То ради тако што пажљиво прати енергије електрона ослобођених током β-распада трицијума. Када се трицијум распадне, неутрино носи нешто енергије, што мало мења енергетски образац емитованих електрона. Ако би се уместо тога понекад производио стерилни неутрино, то би оставило препознатљиву дисторзију, или „извијање“, у том обрасцу.
Смештен на Технолошком институту Карлсруе у Немачкој, КАТРИН се протеже више од 70 метара у дужину. Његово подешавање укључује моћан гасни извор трицијума без прозора, спектрометар високе резолуције који прецизно мери енергију електрона и детектор који бележи честице. Од почетка рада 2019. године, експеримент је прикупио податке о β-распаду трицијума са неупоредивом прецизношћу, посебно тражећи ситна одступања која се очекују од стерилног неутрина.
Шта подаци откривају о стерилним неутринима
У новом Природа У раду, тим извештава о до сада најосетљивијој потрази за стерилним неутринима у β-распаду трицијума. Између 2019. и 2021. КАТРИН је забележио око 36 милиона електрона током 259 дана прикупљања података. Ова мерења су упоређена са детаљним моделима β-распада и постигнута је тачност боља од један проценат. Анализа није пронашла доказе о стерилном неутрину.
Овај резултат искључује широк спектар могућности које су сугерисале раније аномалије. Те аномалије су укључивале неочекиване дефиците уочене у експериментима реактор-неутрино и мерењима извора галијума, од којих су оба наговештавала четврти неутрино. Налази су такође потпуно у супротности са експериментом Неутрино-4, који је тврдио да постоје докази за такву честицу.
КАТРИН-ова изузетно ниска позадина значи да скоро сви детектовани електрони потичу од распада трицијума, што омогућава веома чисто мерење енергетског спектра. За разлику од осцилационих експеримената, који посматрају како неутрини мењају идентитет након што пређу неку удаљеност, КАТРИН испитује дистрибуцију енергије у тренутку када је неутрино створен. Пошто ове методе испитују различите аспекте понашања неутрина, оне се међусобно допуњују и заједно пружају снажне доказе против хипотезе о стерилном неутрина.
Како КАТРИН допуњује друге експерименте
„Наш нови резултат је у потпуности комплементаран са експериментима на реакторима као што је СТЕРЕО“, објашњава Тхиерри Лассерре (Мак-Планцк-Институт фур Кернпхисик) у Хајделбергу, који је водио анализу. „Док су експерименти на реактору најосетљивији на стерилно активно цепање масе испод неколико еВ2КАТРИН истражује опсег од неколико до неколико стотина еВ². Заједно, ова два приступа сада доследно искључују лаке стерилне неутрине који би се приметно мешали са познатим типовима неутрина.“
Очекујемо више података и нове детекторе
КАТРИН ће наставити да прикупља податке до 2025. године, што ће додатно побољшати његову осетљивост и омогућити још строжије тестове за лаке стерилне неутрине. „До завршетка прикупљања података 2025. године, КАТРИН ће забележити више од 220 милиона електрона у региону од интереса, повећавајући статистику за више од шест пута“, каже ко-портпарол КАТРИН-а Кетрин Валериус (КИТ). „Ово ће нам омогућити да померимо границе прецизности и углова мешања сонде испод садашњих граница.“
Надоградња је планирана за 2026. годину, када ће експерименту бити додат и ТРИСТАН детектор. ТРИСТАН ће снимити цео спектар β-распада трицијума са статистиком без преседана. Заобилажењем главног спектрометра и директним мерењем енергије електрона ТРИСТАН ће моћи да истражује много теже стерилне неутрине. „Ова поставка следеће генерације ће отворити нови прозор у опсег кеВ-масе, где стерилни неутрини могу чак и да формирају тамну материју Универзума“, каже ко-портпарол Сусанне Мертенс (Мак-Планцк-Институт фур Кернпхисик).
Међународни научни напор
КАТРИН сарадња окупља научнике из више од 20 институција из 7 земаља, одражавајући глобалне напоре иза једног од најпрецизнијих неутринских експеримената икада направљених.
