Чтобы ответить на вопрос – какова масса нейтрино? – учёные проводят исследования радиоактивных распадов, в которых образуются данные частицы. Масса нейтрино может определяться с помощью высокопрецизионных измерений энергии распада и разницы масс материнского и дочернего нуклидов. Команде учёных, наконец, удалось разрешить многолетнюю загадку энергии распада искусственного изотопа гольмия с массовым числом 163. Этот нуклид распадается посредством электронного захвата в стабильный изотоп диспрозия с массовым числом 163 и является одним из наиболее подходящих кандидатов для определения массы нейтрино. Исследователи создали особо чистые образцы 163Ho и 163Dy и с высокой точностью провели измерение разницы их масс на установке SHIPTRAP (GSI, Германия). В этой работе значительный вклад был внесен Сотрудниками Лаборатории физики экзотических ядер Отделения физики высоких энергий Института.

Установка SHIPTRAP, расположенная в GSI, Германия

Нейтрино можно встретить везде. Сотни миллиардов этих частиц «прошивают» человеческое тело каждую секунду. Несмотря на это, одно из их самых фундаментальных свойств – их масса – ещё не определено. Хотя в Стандартной Модели Элементарных Частиц нейтрино являются безмассовыми частицами, наблюдения показывают, что в реальности они всё же должны обладать малой массой. Таким образом, проводя эксперименты по определению массы нейтрино, исследователи занимаются изучением физики за пределами Стандартной Модели. На данный момент удалось определить только верхний предел на массу нейтрино. Исключительная малость массы нейтрино делает её определение особенно трудным. Одной из многообещающих методик по определению массы нейтрино является исследование процессов бета распада и электронного захвата. В данном случае масса нейтрино определяется из сравнения полной энергии испущенного излучения и максимальной энергии распада.

Искусственный изотоп 163Ho находится в фокусе внимания нескольких больших коллабораций. Они планируют определить массу нейтрино из измерения энергии, выделяемой при электронном захвате 163Ho в 163Dy. В настоящее время лидирующей является ECHo-коллаборация, базирующаяся в Гейдельбергском университете (Германия). Участниками этой коллаборации являются сотрудники нашего института. Важной составной частью этих экспериментов по определению массы нейтрино является высокопрецизионное определение энергии электронного захвата в 163Ho. За прошедшие десятилетия было опубликовано несколько значений энергии распада, лежащих в широком диапазоне от 2400 до 2900 эВ. Эти значения были получены не прямыми методами. Рекомендованное значение энергии распада располагается в нижней части этого диапазона и отличается на несколько сотен эВ от результатов, полученных недавно с помощью криогенной микрокалориметрии. Таким образом, правильность рекомендованного значения была поставлена под сомнение.

Для решения этой загадки группа физиков, химиков и инженеров из Германии, России, Швейцарии и Франции объединила свои усилия. Российские ученые из Лаборатории физики экзотических ядер ПИЯФ НИЦ КИ внесла свою лепту развитием методики высокопрецизионной масс-спектрометрии с использованием нового метода регистрации ионов в ловушке Пеннинга.

163Dy является стабильным и поэтому встречается в природе, тогда как 163Ho сначала необходимо синтезировать из стабильного эрбия путём его облучения интенсивным нейтронным пучком. Гольмий был наработан в высокопоточном реакторе в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле (Франция). Дальнейшая очистка и обработка гольмия была проведена в Институте им. Пауля Шеррера (Швейцария) и в Университете им. Иоганна Гутенберга (Германия). Разница масс 163Ho и 163Dy определялась из измерения циклотронных частот этих нуклидов, находящихся в однозарядном состоянии в сильном постоянном магнитном поле ловушки Пеннинга; при этом был применён новый метод, получивший название «Phase-Imaging Ion-Cyclotron-Resonance (PI-ICR) technique». Автор этого метода, сотрудник Института ПИЯФ и Института ядерной физики имени Макса Планка в Гейдельберге (MPIK, Германия) Сергей Елисеев объясняет: «Круговое движение ионов проецируется на позиционно-чувствительный детектор. При этом, даже очень малые разницы масс, определяются значительно точнее, чем при помощи методов, обычно применяемых на подобного рода установках». Частоты 163Ho и 163Dy при этом измерялись попеременно каждые пять минут в течение нескольких дней.

Полученное значение энергии распада равняется 2833 эВ (при этом ошибка измерения не превышает нескольких десятков эВ) и полностью подтверждает недавние результаты, полученные с помощью криогенной микрокалориметрии в рамках подготовки к ECHo эксперименту. «Финансовая поддержка первой фазы этого эксперимента, получившего название ECHo-1K, была недавно одобрена немецким исследовательским обществом DFG. В рамках реализации этой фазы планируется достичь верхнего предела на массу нейтрино порядка 10 эВ/c2, что является более чем 20-кратным улучшением нынешнего значения, полученного из экспериментов с 163Ho», - утверждает официальный представитель ECHo-коллаборации Лоредана Гастальдо из университета города Гейдельберг. «Планируется, что будущие измерения масс на новой установке PENTATRAP в MPIK позволят, как минимум на один порядок уменьшить ошибку измерения энергии распада 163Ho. Это откроет двери для измерения массы нейтрино на уровне 1 эВ», - добавляет Клаус Блаум, директор MPIK.

Проф. Ю.Н. Новиков

Д-р физ.-мат н. С.А. Елисеев