Нейтрино – фундаментальная частица, возникающая в звёздах и ядерных реакторах. Двигаясь со скоростью света, практически не взаимодействует с веществом. Существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Способность переключаться между этими типами («ароматами») свидетельствует о наличии у нейтрино массы. Точное значение этой массы пока неизвестно. Понимание массы нейтрино важно для постижения устройства Вселенной, включая такие тайны, как природа темной материи. Наличие массы у нейтрино уже заставило пересмотреть Стандартную модель физики элементарных частиц.
Учёные эксперимента KATRIN достигли нового прогресса в определении максимальной массы нейтрино. В эксперименте KATRIN, проводимом на 70-метровой установке в Германии, для измерения массы нейтрино применяется бета-распад трития – радиоактивного изотопа водорода. При бета-распаде нейтрон в ядре трития превращается в протон, испуская электрон и электронное антинейтрино (аналог электронного нейтрино с противоположными квантовыми свойствами).
Антинейтрино практически не взаимодействует с вещством и регистрировать его напрямую невозможно. При распаде выделяется определённое количество энергии, распределяемое между электроном и антинейтрино. Измеряя энергию электрона и анализируя энергетический спектр, учёные могут определить верхний предел массы нейтрино.
Эксперимент KATRIN, несмотря на кажущуюся простоту идеи, крайне сложен. Проанализировав данные о 36 миллионах электронов, полученные за 259 дней с 2019 по 2021 год, ученые установили новый верхний предел массы нейтрино – 0,45 электронвольта (менее одной миллионной массы электрона). Это самое точное значение на данный момент.
В 2025 году, через 1000 дней сбора данных, KATRIN уточнит массу нейтрино до 0,3 электронвольта, что совпадет с теоретическими прогнозами. Данные также помогут проверить гипотезы о наличии новых частиц, например стерильных и реликтовых нейтрино.
В перспективе KATRIN подвергнут модернизации. Одновременно ведётся разработка других экспериментов для измерения массы нейтрино, например Project-8, QTNM, PTOLEMY и ECHo.