Крок до маси спокою

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Чи є кінцева маса спокою у нейтрино чи вона дорівнює нулю? Ця проблема зараз хвилює не лише фахівців з фізики, а й астрономів та філософів. Знання про масу нейтрино допоможуть у вирішенні фундаментальної проблеми: чи був початок і чи буде кінець у Всесвіті. Якщо всюдисуще нейтрино має масу, не рівну нулю, то середня щільність речовини у Всесвіті виявиться у багато мільйонів разів більше, ніж прийнято вважати сьогодні. Адже саме ця величина визначає, чи вистачить сили гравітації, щоб зупинити процес розширення Всесвіту, або їй доведеться розширюватися вічно.

Можливо, вимірявши масу нейтрино, вчені зупиняться на моделі осцилюючого Всесвіту, в якому періоди розширення змінюються періодами стиснення і який може існувати вічно, — тоді, природно, питання про початок і кінець Всесвіту взагалі не виникне.

Теоретики, які ще порівняно недавно висловлювали припущення, що маса нейтрино вимірюється сотнями електрон-вольт (це в тисячі разів менше за масу електрона), зараз схиляються до того, що нейтрино має (якщо має) масу спокою не більше ніж 40-50 електрон-вольт .

Щоб виміряти масу нейтрино, експериментаторам доводиться долати надзвичайні труднощі; нейтрино не даремно називають всепроникаючою часткою – ймовірність її взаємодії з речовиною вкрай мала. Проблема маси нейтрино обговорюється експериментаторами вже кілька десятиліть, досі найкращим — вірніше, поки єдиним способом вимірювання її прийнято вважати дослідження енергетичного спектру бета-розпаду тритію (тритій — це надважкий водень, його ядро містить два нейтрони і один протон).

Ядро тритію радіоактивно, розпадаючись, воно перетворюється на дочірнє ядро гелію-3, при цьому випромінюється електрон та антинейтрино. Зауважимо відразу, що маса антинейтрино дорівнює масі нейтрино, а ядро гелію-3 відрізняється від ядра тритію тим, що в ньому два протони і один нейтрон. Електрони, що вилітають при бета-розпаді тритію, можуть мати різну енергію, як кажуть фахівці, у них є безперервний енергетичний спектр. Отже, потрібно точно знати різницю в масі початкового та кінцевого продуктів – різницю між масою тритію та масою гелію-3 та енергію електрона.

Перші такі виміри були зроблені на мас-спектрометрах ще 1975 року, і різниця виявилася 18 000 електрон вольт. Протягом наступних десятиліть вимірювання різниці мас тритію і гелію проводили неодноразово, і дослідники отримували різні значення: 18588+7, 18573+4 і 18584+3 електрон-вольт. Це досить великий розкид у даних, його не можна було вважати задовільним, тим більше що маса самого нейтрино може дорівнювати кільком електрон-вольтам, тобто порівнянна з помилкою експерименту.

І ось вчені запропонували нову методику для вимірювання різниці мас тритію та гелію. Естонські фізики отримали різниці мас тритій-гелій величину 18 599+1 електрон-вольт. Така висока точність може виявитися достатньою для визначення маси нейтрино. Але щоб дати остаточну відповідь на питання, чи є маса спокою у нейтрино, залишається ще дуже важкий етап — експериментаторам потрібно точно виміряти енергію тих мало-енергійних електронів, які вилітають при бета-розпаді разом із нейтрино.