Измерение массы нейтрино: положение дел и новые идеи

Абрамов И.С., магистратура ВШ ОПФ, 1 год обучения.

Основное содержание семинара составили результаты, полученные в статье Asner D. M. et al. Single-Electron Detection and Spectroscopy via Relativistic Cyclotron Radiation //Physical review letters. – 2015. – Т. 114. – №. 16. – С. 162501.

В работе представлены первые результаты эксперимента Project 8, которые показали состоятельность новой методики измерения энергии электронов — по частоте их циклотронного излучения. Этот метод работает с нерелятивистскими электронами поштучно и измеряет их энергию неразрушающим способом. На основе этого метода можно будет попробовать напрямую измерить массы нейтрино, которые, в силу своей малости, до сих пор измерению не поддаются.

Идея измерения массы нейтрино очень проста. Ядро трития за счет бета-распада превращается в три частицы — гелий-3, электрон и антинейтрино (рис. 1). В зависимости от того, как друг относительно друга разлетаются эти три частицы, у электрона может быть разная энергия (собственно, именно из-за этого 80 лет назад и было заподозрено существование нейтрино). Самой большой эта энергия будет в тех исключительно маловероятных случаях, когда электрон и нейтрино вылетают строго в одну сторону. И в зависимости от того, есть у нейтрино масса или нет, эта максимальная энергия электрона тоже получится слегка разной. Измерив энергию электронов на самом краю спектра, можно вычислить массу нейтрино.

Рис. 1: Бета-распад трития на гелий-3, электрон и антинейтрино. Рис. с сайта nist.gov

Измерение энергии электрона чаще всего проводят с поглощением этого электрона. Повторное измерение при этом невозможно, а значит точность эксперимента нельзя увеличивать за счет увеличения количества измерений. Таким образом, остается увеличивать точность каждого конкретного измерения. Даже существующие на данный момент и готовящиеся к запуску установки, такие как проект KATRINA в Карлсруэ (Германия) уже имеют колоссальные размеры (рис. 2), а для дальнейшего продвижения в этом направлении требуются еще более масштабные и дорогостоящие проекты. На данный момент в экспериментах такого типа удалось получить верхние оценки для массы нейтрино: около 2 эВ. Это всё еще очень много: ведь масса нейтрино вполне может оказаться на два-три порядка меньше, а очевидные проблемы данного способа измерения энергии электронов являются мощным стимулом к поиску альтернативных подходов к рассматриваемой проблеме. Оставалось лишь дождаться пока такая альтернатива будет предложена.

Рис. 2: Прибытие установки KATRINA для тритиевого эксперимента в Карлсруэ

Авторами рассматриваемой работы, учеными из коллаборации Project 8, для измерения массы электрона было выдвинуто предложение воспользоваться методом циклотронной спектроскопии. Делается это так. Вылетевший при распаде электрон попадает в сильное магнитное поле и крутится там по кругу с некоторой частотой (эта частота называется циклотронной). В процессе этого он испускает электромагнитное излучение на этой самой циклотронной частоте (для описываемых экспериментов она лежит в микроволновом диапазоне). Для совершенно нерелятивистского электрона частота циклотронного излучения ω₀ определяется лишь магнитным полем и не зависит от энергии электрона. Если же скорость электрона начинает приближаться к скорости света — а скорость тритиевого электрона уже достигает четверти скорости света, — циклотронная частота уже равна ω(E) = ω₀/γ, где γ —лоренц-фактор. В результате частота уже зависит от энергии: чем больше энергия, тем меньше частота. Правда, зависимость эта довольно медленная, поскольку лоренц-фактор лишь слегка отличается от единицы. Тем не менее она есть. Поэтому достаточно точное измерение частоты излучения в известном магнитном поле покажет, какой энергией обладает электрон.

Статья коллаборации Project 8 описывает первую реализацию предложенной методики «поштучного» измерения энергии электрона. Для этого в эксперименте использовался долгоживущий изомер криптона ^83mKr (период полураспада почти два часа). Его распад протекает так: ядро испускает гамма-квант, который не улетает прочь, а поглощается тут же внутри атома и выбивает электрон. В отличие от бета-распада, где электрон может иметь энергию в широком диапазоне, здесь из атома вылетает один лишь электрон, без нейтрино. Его энергия четко фиксируется той электронной оболочкой, с которой он был выбит, поэтому электронный спектр представляет собой частокол из отдельных линий.

В эксперименте Project 8 маленькая ячейка (рис. 3) заполнялась парами радиоактивного криптона, который получался в результате распада рубидия-83. Ячейка была помещена в однородное магнитное поле индукции 1 Тесла, а в ее центре была дополнительно создана магнитная ловушка для удержания электронов в течение как минимум нескольких миллисекунд. «Нарезая круги» в магнитном поле, электроны излучали микроволновое излучение на частоте около 25 ГГц, которое отводилось волноводом, проходило через малошумящий радиоусилитель и регистрировалось чувствительным датчиком. Вся установка, естественно, была охлаждена до низких температур — это нужно и для сверхпроводящего магнита, и для подавления тепловых шумов в датчике излучения.

Рис. 3: Схема эксперимента

На рис. 4 показан результат измерения частоты излучения от одного-единственного электрона с энергией около 30 кэВ в течение первых миллисекунд после его вылета из атома (этот момент соответствует началу первой полоски). В соответствии с ожиданиями, частота излученные фотонов постепенно росла по мере того, как электрон терял энергию. Чувствительный датчик накапливал сигнал от излучения достаточно быстро, поэтому «дрейф» частоты удалось отследить с субмиллисекундной точностью. Время от времени электрон, правда, сталкивался с атомами газа и терял небольшую долю своей энергии; этим событиям отвечают резкие скачки на рис. 4. Но это побочный эффект. Главное же, что сами полосочки получились тонкие и контрастные, что позволяет определить начальную энергию электрона с хорошей точностью.

Рис. 4: Частота радиоизлучения, испускаемого одним электроном в магнитном поле ловушки. Цветом показано частотное распределение мощности детектируемого излучения по сравнению с уровнем шума в каждый 30-микросекундный интервал времени. Изображение из обсуждаемой статьи в Physical Review Letters