В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, коллаборация HOLMES достигла наиболее строгого верхнего предела эффективной массы электронного нейтрино, используя калориметрический подход. Установлен предел менее 27 эВ/с² с достоверностью 90%.
Этот результат подтверждает экспериментальную концепцию, разработанную десятилетия назад, и демонстрирует масштабируемость, необходимую для экспериментов следующего поколения по измерению массы нейтрино.
Измерения массы нейтрино
Эксперименты по осцилляциям измерили различия между состояниями массы нейтрино, но фактические индивидуальные значения массы — абсолютная шкала масс нейтрино — остаются неизвестными. Определение этих значений поможет завершить наше понимание Стандартной модели физики элементарных частиц.
Прямые кинематические измерения, основанные исключительно на сохранении энергии и импульса при ядерных бета-распадах, обеспечивают наиболее независимый от модели подход к этому фундаментальному вопросу. Эксперимент HOLMES использует низкотемпературную микрокалориметрию для измерения захвата электронов гольмием-163 (¹⁶³Ho) — метод, впервые предложенный более 40 лет назад.
Профессор Анжело Нукчиотти из Университета Милан-Бикокка и представитель международного эксперимента HOLMES рассказал Phys.org о своей работе:
«Моя страсть к этой работе началась во время моей докторской диссертации в 1990-х годах, когда я познакомился с миром тепловых детекторов благодаря профессору Этторе Фиоринни», — сказал Нукчиотти. «Фиоринни был настоящим пионером, который первым предложил использовать эти детекторы для регистрации редких событий, включая измерение массы нейтрино. Теперь, после более чем 30 лет усилий, публикация этого результата по гольмию-163 доказывает долгосрочную жизнеспособность этого оригинального видения».
Микрокалориметры
Микрокалориметры — это микроскопические устройства, которые измеряют энергию, обнаруживая крошечные изменения температуры, которые происходят при поглощении частиц.
Эксперимент HOLMES использует массив из 64 датчиков переходного края (TES) микрокалориметров, работающих при температуре примерно 95 мК в криостате разбавления ³He/⁴He. Ядра гольмия-163 внедряются непосредственно в золотые поглотители этих сверхчувствительных сверхпроводящих детекторов.
Когда гольмий-163 подвергается захвату электронов, высвобождаемая энергия, за исключением части, уносимой нейтрино, поглощается золотым слоем. Поскольку теплоёмкость поглотителя ничтожно мала при милликельвиновых температурах, даже небольшая энергия от одного распада вызывает измеримый скачок температуры.
«Основной принцип прост: энергия, высвобождаемая при распаде гольмия, попадает в золотой поглотитель, вызывая повышение его температуры», — объяснил Нукчиотти. «Термометр TES, поддерживаемый точно в пределах его сверхпроводящего перехода, измеряет это повышение температуры как резкое изменение электрического сопротивления и тока, которое пропорционально высвобождаемой энергии».
Подпись массы нейтрино проявляется как соответствующее уменьшение максимальной обнаруженной энергии, которое является конечной точкой спектра распада. Точно измеряя этот верхний конец спектра, исследователи могут определить массу нейтрино.
Гольмий-163 идеально подходит для этого измерения благодаря его низкой Q-величине, составляющей примерно 2863 эВ.
Поскольку общая энергия, доступная при распаде (Q-величина), меньше, сигнатура массы нейтрино становится более заметной в спектре. Кроме того, его период полураспада, составляющий примерно 4750 лет, обеспечивает более высокую удельную активность, чем у других кандидатов, что делает его более подходящим для использования в микрокалориметрах.
Одним из нововведений, обеспечивших успех этого эксперимента, является масштабируемая система многочастотного считывания. Детекторы кодируют свои сигналы на разных частотах в диапазоне 4–8 ГГц, что позволяет им использовать общую инфраструктуру считывания. Это похоже на то, как несколько радиостанций одновременно вещают на разных каналах.
Эта частотная мультиплексирование имеет важное значение для будущих экспериментов, требующих тысяч детекторов.
Детекторы достигли среднего энергетического разрешения в 6 эВ — достаточно точного для разрешения детальных спектральных особенностей вблизи конечной точки распада, где могут проявляться сигнатуры массы нейтрино. Этот уровень точности, ограниченный в основном внутренним шумом детектора, демонстрирует возможность калориметрического подхода для измерения массы нейтрино.