Точност от една милиардна част. Физиците измериха енергията на ядрените разпади с рекордна точност и се доближиха до разгадаването тайната на неутриното

Измериха скоростта на въртене и… подкопаха основите на физиката.

Финландски физици постигнаха рекордна точност при измерването на енергията на ядрените разпади: относителната грешка беше по-малка от една милиардна част от фракцията. Резултатът доближава учените до отговора на ключовите въпроси за физиката на неутриното – каква е масата на неутриното и дали неутриното е собствена античастица (т.е. частица Майорана).

Работата е извършена от група, ръководена от Юони Руотсалайнен (Университет на Ювяскюла). Изследователите определиха така нареченото Q – енергията, която се отделя при бета и двойния бета разпад на ядрата. Именно стойността на Q (всъщност разликата между масите на родителския и дъщерния атом, умножена по c2) задава кинематиката на разпада и до голяма степен определя неговата вероятност и период на полуразпад. Колкото по-точно се знае Q, толкова по-надеждно могат да се планират експерименти за търсене на изключително редки неутрино процеси.

Според Стандартния модел неутриното взаимодейства само чрез слаби взаимодействия, така че свойствата му се измерват изключително трудно. Вече е установено, че неутриното има ненулева маса, но точната ѝ стойност все още не е известна – съществуват само горни граници. Наблюдението на двойно бета-разпадане без неутрино (0νββ) би показало едновременно майорановата природа на неутриното и би подсказало механизъм за определяне на неговата маса.

В експеримента бяха измерени Q на три ядра: две, подложени на двоен бета разпад, и едно с обикновен бета разпад. Измерванията бяха извършени в съоръжението JYFLTRAP, което представлява двоен Пенинг капан в Лабораторията за ускорители на Университета в Ювескила и е един от най-точните инструменти в света за измерване на масови йони.

Капанът на Пенинг задържа заредените частици в статично електрическо поле на фона на силно хомогенно магнитно поле. В такова поле йонът се движи по кръгова (циклотронна) траектория с честота ωc=qB/m, където q е зарядът на йона, B е магнитната индукция, а m е масата. Като се измери разликата в циклотронните честоти на два изотопа, може да се определи тяхната относителна разлика в масите. Екипът използва метода на фазовото изобразяване на йонния циклотронен резонанс (PI-ICR): фазата на спина на йона се проектира върху чувствителен към позицията детектор и фазовото изместване се използва за определяне на честотата с точност, по-добра от 10^-9. Този подход свежда до минимум систематичните грешки и осигурява точност на световно ниво.

Данните бяха предадени на теоретичната група, която изчисли очакваните периоди на полуразпад на съответните канали. За много двойни бета-разпади тези периоди са толкова дълги, че е изключително трудно да се наблюдават достатъчен брой събития в реалистични срокове, дори при големи маси детектируем материал. С други думи, вероятността за разпад при тези енергии е твърде малка за практически измервания на масата на неутриното в експерименти от близкото бъдеще.

На този фон изомерът на сребро-110 (Ag-110m) се откроява: комбинацията от неговата стойност на Q, ядрените характеристики и изчисления период на полуразпад прави този изотоп обещаващ кандидат за бъдещи експерименти за директно определяне на масата на неутриното. Той може да осигури по-благоприятен баланс между наблюдаемостта на събитията и чувствителността към търсените параметри.

Резултатът от работата е двойнствен. От една страна, бяха изяснени фундаменталните параметри на ядрата, от които зависи търсенето на разпада на 0νββ и експериментите за определяне масата на неутриното. От друга страна, бяха демонстрирани възможностите на съвременната прецизна спектрометрия: измервания с точност до една милиардна част съществено намаляват неопределеността на изчисленията и позволяват трезва преценка кои изотопи са наистина подходящи за следващите поколения съоръжения за неутрино.

Публичната защита на дисертационния труд на Юони Руотсалайнен „Високоточни Q измервания за физиката на неутриното с помощта на капана Penning JYFLTRAP“ е насрочена за 10-ти октомври 2025 г. в Университета в Ювяскюла.