Нейтрино повсюду. Сотни триллионов нейтрино проходят через каждого человека в секунду, но одно из их фундаментальных свойств, то есть их масса, до сих пор неизвестно. В то время как стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает, что нейтрино безмассовые, наблюдения доказывают, что нейтрино должны иметь крошечную массу. Таким образом, изучая массы нейтрино, ученые исследуют физику, выходящую за рамки этой столь успешной Стандартной модели.
Пока удалось определить только верхние пределы массы нейтрино, что подтверждает ее крошечность. Это делает прямое измерение массы сложной задачей, но спектроскопия радиоактивного бета-распада или захвата электронов в подходящих ядрах является одним из наиболее многообещающих подходов.
Все излучение, испускаемое при радиоактивном распаде, можно точно измерить, за исключением мимолетного нейтрино, которое невозможно обнаружить. Таким образом, масса нейтрино выводится из сравнения суммы всего обнаруживаемого излучения с доступным для распада.Искусственный изотоп гольмия с массовым числом 163 находится в центре внимания нескольких крупных коллабораций, стремящихся извлечь массу нейтрино из измерений энергии, испускаемой при распаде электронного захвата 163Ho в стабильный 163Dy.
В настоящее время лидирует ECHo Collaboration с центром в Гейдельбергском университете. Предварительное разъяснение различных значений энергии распада 163Ho является обязательным.
Значения, которые охватывают довольно большой диапазон от примерно 2400 до 2900 электрон-вольт (эВ), были опубликованы за последние десятилетия на основе косвенных измерений, выполненных с использованием различных методов. Значение, рекомендованное в таблицах данных, находится в нижней части этого диапазона, но более свежие результаты примерно на 100 эВ выше, чем это рекомендованное значение, что ставит под сомнение его достоверность. В этой ситуации сомнительна попытка измерить массу нейтрино от распада 163Ho.Чтобы решить эту загадку, команда физиков, химиков и инженеров из Германии, России, Швейцарии и Франции объединила свои знания и уникальные инструменты: хотя природный диспрозий содержит достаточное количество 163Dy, образцы 163Ho, которые не встречаются в природе, сначала пришлось приготовить из природного эрбия, обогащенного 162Er, путем интенсивного нейтронного облучения в исследовательском реакторе с большим потоком в Институте Лауэ Ланжевена в Гренобле во Франции.
Очистка и обработка образцов проводились в Институте Пауля Шеррера в Виллигене в Швейцарии и в Университете Йоханнеса Гутенберга в Майнце.Разность атомных масс 163Ho и 163Dy была непосредственно измерена с помощью масс-спектрометра SHIPTRAP с ловушкой Пеннинга в Центре исследований тяжелых ионов GSI им. Гельмгольца в Дармштадте. Основываясь на эквивалентности массы и энергии согласно знаменитому уравнению Альберта Эйнштейна E = mc2, разность масс переводится в энергию, доступную для распада. «Чтобы определить массы гольмия и диспрозия, мы измерили частоты кругового движения их ионов в сильном магнитном поле ионной ловушки, используя новую технику ионного циклотронного резонанса фазового изображения, которая позволяет проводить измерения с высочайшей точностью», — сказал он. объяснил ведущий ученый доктор Сергей Елисеев из Института ядерной физики Макса Планка в Гейдельберге. «Это круговое движение проецируется на позиционно-чувствительный детектор таким образом, что даже небольшие различия масс могут быть определены намного быстрее и точнее по сравнению с предыдущими методами».
163Ho и 163Dy измерялись попеременно с интервалом в пять минут в течение нескольких дней.Процедура усреднения привела к окончательному значению энергии распада 2 833 эВ с погрешностью всего в несколько десятков эВ.
Это подтверждает недавние результаты, устраняет давнее несоответствие и, таким образом, придает уверенность подходу, предложенному ECHo Collaboration. «Для статистических данных, ожидаемых в первой фазе эксперимента ECHo под названием ECHo-1k, финансируемого Немецким исследовательским фондом (DFG) с исследовательским подразделением, мы достигнем чувствительности ниже 10 эВ для массы нейтрино, что больше, чем в десять раз ниже текущего верхнего предела », — пояснила официальный представитель ECHo доктор Лоредана Гастальдо из Гейдельбергского университета.В рамках сотрудничества ECHo исследовательская группа, возглавляемая профессором Кристофом Э. Дуллманном из Института ядерной химии, вместе с коллегами из исследовательского реактора TRIGA в Университете Майнца отвечала за производство и подготовку необходимых запасов 163Ho. «Наше успешное производство образцов 163Ho для этих исследований является важным шагом на пути к подготовке образцов, подходящих для чувствительного измерения массы нейтрино», — сказал Дуллманн. «Для этого мы введем еще один уровень очистки образцов. В сотрудничестве с группой профессора Клауса Вендта из Института физики JGU мы будем использовать масс-сепаратор RISIKO в Майнце для получения образцов высочайшей чистоты, поскольку они необходимы для предполагаемых экспериментов ".