KATRIN

KATRIN — Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment — измеряет массу нейтрино. Не окольными путями, а непосредственно: точным промером бета-распада.

Установка стоит в Технологическом институте Карлсруэ и с 2019 года даёт самые строгие в мире верхние границы.

Почему нужно прямое измерение

Нейтринные осцилляции доказывают, что нейтрино обладают массой, — но они дают только разности квадратов масс, никогда не абсолютные значения. Известно, что три состояния имеют разный вес, но не то, каков этот вес.

Космология даёт границы из распределения материи во Вселенной, однако они зависят от модельных предположений.

KATRIN идёт третьим путём, который обходится без таких предположений и опирается лишь на сохранение энергии и импульса.

Принцип

При распаде трития возникают ядро гелия, электрон и антинейтрино. Высвобождающаяся энергия распределяется между электроном и антинейтрино.

На верхнем краю электронного спектра, где электрон получает почти всю энергию, антинейтрино не остаётся почти ничего. Если у него есть масса, то нужно затратить по меньшей мере необходимую для неё энергию — и спектр обрывается на крохотный кусочек раньше, чем оборвался бы иначе.

Этот кусочек и есть искомая величина. Речь идёт о долях электронвольта при полной энергии 18,6 килоэлектронвольта — и об области, в которую вообще попадает лишь примерно один распад из триллиона.

Тритий используется потому, что у него очень низкая энергия распада и простая структура ядра. И то и другое повышает чувствительность.

Устройство

Установка имеет около 70 метров в длину. На одном конце стоит тритиевый источник, в котором газ течёт при 30 кельвинах. На другом конце — детектор.

Между ними лежит главный спектрометр: вакуумный сосуд длиной 23 метра и диаметром 10 метров, весом 200 тонн. Он работает как электростатический фильтр — сквозь него проходят только электроны выше настраиваемой энергии. Сдвигая этот порог шаг за шагом, промеряют спектр.

Внутри держится вакуум 10⁻¹¹ миллибара, один из лучших в мире в сосуде такого размера — сравнимый с условиями в околоземном космосе.

Путешествие спектрометра

Сосуд был построен в Деггендорфе на Дунае. До места назначения в Карлсруэ по прямой около 400 километров.

По дороге это было неосуществимо: бак не проходил ни под одним путепроводом и ни через один населённый пункт. Значит, он пошёл морем — вниз по Дунаю, через Чёрное море, через Средиземное море, вокруг Пиренейского полуострова, вверх по Ла-Маншу и вниз по Рейну. Около 8 600 километров ради 400 километров по прямой.

Последние метры через Леопольдсхафен были самыми трудными. Между домами оставалось несколько сантиметров зазора; тысячи любопытных стояли вдоль маршрута. Снимки этого пути до сих пор остаются самыми известными изображениями установки.

Результаты

Каждое из этих чисел было на момент публикации самым строгим в мире. Цель установки лежит около 0,2 электронвольта.

Ненахождение здесь не является неудачей. Каждая пониженная граница исключает модели — и чем ближе подходят к области, на которую указывают измерения осцилляций, тем теснее становится пространство для объяснений вроде механизма качелей.

Связанные понятия

• Масса нейтрино — искомая величина
• Бета-распад — используемый процесс
• Механизм качелей — почему она так мала
• Двойной бета-распад — другой подход к массе

Источники

• Коллаборация KATRIN: Direct neutrino-mass measurement based on 259 days of KATRIN data, Science 388, 180 (2025).
• Коллаборация KATRIN: Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity, Nature Physics 18, 160 (2022).