Физики уточнили оценку суммы масс нейтрино

Ученые получили самую точную верхнюю оценку массы самого легкого типа нейтрино и суммы всех типов. Сумма масс оказалась меньше 0,26 электронвольт, а самое легкое нейтрино должно весить менее 0,086 электронвольт. Результаты были получены путем комбинации астрономических наблюдений и данных экспериментов по физике частиц, пишут авторы в Physical Review Letters.

Нейтрино — это один из видов элементарных частиц, существование которых изначально теоретических предположил Вольфганг Паули. Он выдвинул объяснение результатам экспериментов по ?-распаду ядер: у получавшихся в процессе электронов наблюдалось непрерывное распределение по энергиям, в то время как в простейшем случае они должны были обладать фиксированными энергиями, соответствующими уровням системы. Паули допустил, что в процессе рождается еще одна незаметная частица, так что сумма энергий ее и электрона остается постоянной, а дискретность уровней сохраняется неявно.

Сегодня нейтрино входят в Стандартную модель физики элементарных частиц. Существует три поколения нейтрино, которым сопоставляется электрон, мюон и тау-лептон. Вместе эти шесть частиц образуют класс лептонов, то есть частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильном взаимодействии. Однако в отличие от заряженных лептонов, нейтрино не участвуют в электромагнитном взаимодействии.

Изначально считалось, что нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии, которое ответственно, например, за ?-распад ядер. Однако во второй половине XX века сперва были теоретически предложены, а затем экспериментально открыты нейтринные осцилляции, то есть превращения нейтрино одного поколения в другое.

Помимо описания в терминах ароматов (поколений), возможно описание нейтрино в терминах массовых состояний, которых тоже три. Существование масс у нейтрино не предполагалось в изначальной формулировке Стандартной модели, но существование осцилляций доказало этот факт. В таком случае получается, что нейтрино также участвуют в гравитационном взаимодействии, хотя из-за малой массы этот эффект в большинстве случаев невелик.

Современные эксперименты позволили с высокой точностью измерить разницу масс между массовыми состояниями нейтрино, однако как суммарная масса, так и отдельные массы известны достаточно плохо. Тем не менее, эти параметры важны как в контексте астрофизики, ведь нейтрино вносят заметный вклад в космологические процессы, так и с точки зрения физики частиц, потому что это может позволить продвинуться в понимании физики за пределами Стандартной модели.

В статье физиков из Великобритании, Франции, Испании и Бразилии проводится совместный анализ данных астрономии и физики частиц с целью определения массы нейтрино. Авторы использовали свойства крупномасштабного распределения вещества во Вселенной и реликтового излучения, данные по сверхновым типа Ia и первичному нуклеосинтезу, эксперименты на ускорителях частиц и ядерные реакторы. Ученые рассчитывали на суперкомпьютере свойства нейтрино в рамках различных моделей, которые учитывают как космологические параметры, такие как доля темной энергии и материи, так и детали физики частиц.

Авторы приходят к выводу, что результаты могут значительно отличаться в разных моделях. В частности, сильно разняться данные у двух типов моделей: разные космологические приближения, которые обычно игнорируют результаты по осцилляциям, могут отличаться в оценке суммы масс до 43 процентов, в то время как построенные с учетом осцилляций отличаются друг от друга в пределах 7 процентов. Финальная полученная верхняя оценка на сумма масс оказалась 0,264 электронвольт, что все еще значительно выше минимальной оценки, которая на данный момент равна 0,06 электронвольт. Верхняя оценка массы самого легкого типа нейтрино оказалась 0,086 электронвольт.

Ранее физикам в других экспериментах удалось наложить ограничения на разницу между нейтрино и антинейтрино. Также продолжаются поиски нового вида стерильного нейтрино, указания в пользу существования которого нашел детектор MiniBooNE, а в России начался новый эксперимент по их поиску.

Тимур Кешелава

Источник: nplus1.ru