Эксперимент KATRIN установил новые ограничения на взаимодействия нейтрино

Общие взаимодействия нейтрино при бета-распаде. Автор: Каролина Фенглер

Нейтрино — это элементарные частицы, которые, согласно Стандартной модели физики частиц, должны быть безмассовыми. Однако наблюдаемые осцилляции нейтрино указывают на то, что они всё же обладают очень малой массой. Ещё одной особенностью этих частиц является их крайне слабое взаимодействие с другой материей, что делает их обнаружение традиционными методами чрезвычайно сложным.

Эксперимент KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino) — это масштабное исследование, направленное на точное измерение эффективной массы электронного антинейтрино с использованием передового оборудования, расположенного в Технологическом институте Карлсруэ (KIT) в Германии.

Исследователи, участвующие в этом эксперименте, недавно опубликовали результаты нового анализа данных второй измерительной кампании в журнале Physical Review Letters. Эти результаты устанавливают новые ограничения на взаимодействия нейтрино, которые могут возникать из-за неизвестной физики, не объясняемой Стандартной моделью, — так называемых общих взаимодействий нейтрино.

«Мы знаем, что за пределами Стандартной модели (BSM) в секторе нейтрино скрывается новая физика, но пока не понимаем, как она выглядит», — рассказала Phys.org Каролина Фенглер, ведущий аналитик исследования. — «Именно это мотивировало нас искать различные BSM-явления с помощью KATRIN, такие как лёгкие и тяжёлые стерильные нейтрино, а также нарушения лоренц-инвариантности».

Новые взаимодействия, которые начали изучать исследователи, могут указывать на существование различных физических явлений, не предсказанных Стандартной моделью, но активно исследуемых теоретиками. Например, они могут свидетельствовать о наличии гипотетических частиц, таких как правые W-бозоны, заряженные бозоны Хиггса и лептокварки.

Внутри спектрометра KATRIN. Автор: Михаэль Захер

«Главная цель эксперимента KATRIN — измерить массу нейтрино, — пояснила Фенглер. — Это достигается за счёт сверхточного измерения энергетического спектра электронов, возникающих при бета-распаде трития, с использованием высокоактивного тритиевого источника и уникального электронного спектрометра. Форма зарегистрированного бета-спектра содержит информацию о массе нейтрино и других BSM-эффектах».

Общие взаимодействия нейтрино, как предполагается, вызывают характерные искажения так называемого бета-спектра — распределения энергий электронов, испускаемых при бета-распаде. Коллаборация KATRIN провела поиск этих искажений в собранных данных.

«Используя лишь небольшую часть (5%) финального набора данных KATRIN, мы уже смогли установить конкурентоспособные ограничения на некоторые из исследуемых новых взаимодействий нейтрино по сравнению с глобальными ограничениями других низкоэнергетических экспериментов, — отметила Фенглер. — Это доказывает, что KATRIN чувствителен к подобным взаимодействиям».

Хотя эксперимент пока не обнаружил признаки общих взаимодействий нейтрино, он установил важные ограничения на их силу, используя новый экспериментальный подход. Учёные надеются, что эти ограничения помогут в будущих поисках физики за пределами Стандартной модели.

«Мы уже работаем над повышением чувствительности KATRIN к общим взаимодействиям нейтрино, расширяя набор данных и совершенствуя методику анализа, — добавила Фенглер. — С началом фазы TRISTAN в 2026 году, которая будет направлена на поиск стерильных нейтрино с энергией в килоэлектронвольтах с помощью модернизированного детектора, мы получим доступ к новому мощному набору данных, что значительно повысит нашу чувствительность в будущем».

Дополнительная информация: M. Aker et al, First Constraints on General Neutrino Interactions Based on KATRIN Data, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.251801