Измерение абсолютной массы нейтрино является одной из ключевых задач современной физики элементарных частиц. В отличие от разностных масс, определяемых через осцилляции нейтрино, абсолютная масса напрямую связана с энергией и кинематикой продуктов распада в β-распадах и другими слабовзаимодействующими процессами.
Нейтрино обладают крайне малой массой и взаимодействуют исключительно слабо, что делает прямые измерения чрезвычайно сложными. В основе большинства экспериментов лежит точное измерение энергии электрона в β-распаде либо наблюдение кинематических характеристик ядерного распада, чувствительных к массам нейтрино.
1. Спектрометрический метод (метод Катр)
Наиболее известный и активно используемый подход — измерение края спектра электронов в β-распаде трития:
3H→3He+ + e− + ν̄e
Ключевой момент: для β-распада максимальная энергия электрона определяется с учётом массы нейтрино. Энергетический спектр электрона вблизи конца спектра изменяется следующим образом:
$$ \frac{dN}{dE} \sim F(Z, E) p_e E_e (E_0 - E_e) \sqrt{(E_0 - E_e)^2 - m_\nu^2} $$
где E0 — энергия конца спектра, pe и Ee — импульс и энергия электрона, F(Z, E) — фактор Ферми, учитывающий кулоновское взаимодействие, а mν — масса нейтрино.
Ключевые аспекты эксперимента:
2. Метод криогенной калориметрии
Этот метод основан на измерении полной энергии, выделяемой в β-распаде, включая кинетическую энергию электрона и рекоил ядра:
Eкал = Q − Eν
Для низкоэнергетических β-распадов (например, 187Re) чувствительность к массе нейтрино увеличивается из-за низкой энергии конца спектра (Q ≈ 2.5 кэВ). Криогенные детекторы регистрируют мельчайшие тепловые сигналы, позволяя реконструировать спектр с очень высокой точностью.
Нейтрино вносят вклад в массу Вселенной и влияют на рост структур. Используя наблюдения реликтового излучения, крупномасштабной структуры и массивов галактик, можно получить верхние пределы для суммы масс трёх нейтрино:
∑mνi < 0.12 − 0.15 эВ (Planck 2018)
Эти космологические данные являются независимым подтверждением или ограничением результатов лабораторных измерений.
Другой подход заключается в измерении обратного процесса β-распада: захват нейтрино на β-радиоактивном ядре без нейтрино в финальном состоянии:
νe+3H→3He+ + e−
Преимущество метода в том, что энергия исходного нейтрино напрямую переносится на электрон, создавая монохроматический сигнал выше края β-спектра. Такие эксперименты теоретически позволяют измерить даже крайне малую массу нейтрино и искать «реликтовое» фоновое нейтрино Вселенной.
1. Энергетическая калибровка и разрешение детектора
Наносистематические смещения в измерении энергии на уровне долей eV могут существенно искажать определение массы. Калибровка спектрометров с использованием известных монохроматических линий критически важна.
2. Энергетические потери в источнике
Рассеяние электронов в тритиевом источнике снижает точность реконструкции края спектра. Использование тонких газовых или криогенных источников минимизирует этот эффект.
3. Эффекты финальной атомной и молекулярной структуры
Для β-распадов молекулярного трития необходимо учитывать возбуждение электронных и колебательных уровней молекулы 3HeT+. Эти эффекты смещают энергию электрона и должны быть включены в теоретическую модель.