Что если темная материя — мираж? 70-метровая установка KATRIN не нашла стерильных нейтрино после 259 дней поисков

Исследователи KATRIN сделали новый шаг в давней загадке нейтринной физики и представили результаты экспериментов, которые снова изменили расстановку сил в этой области. Речь идёт об исчезающе слабых частицах, которые ежедневно проходят сквозь человеческое тело огромными потоками, но почти не оставляют следов. Три вида нейтрино, признанные Стандартной моделью, - электронное, мюонное и тау - способны превращаться друг в друга на ходу, что в своё время и доказало наличие массы. Но уже много лет физики не могут разобраться с одним странным несоответствием: некоторые опыты фиксировали небольшие отклонения в количестве зарегистрированных частиц, намекая на существование ещё одного, куда менее заметного участника.

Так постепенно появилась идея, что где-то может скрываться отдельный, «стерильный» тип нейтрино. Он реагировал бы на окружающий мир ещё слабее, чем известные разновидности, и потому легко ускользал бы от прямых измерений. Если бы такой объект всё же подтвердили, это серьёзно изменило бы представления о строении Вселенной: возможно, именно он мог бы объяснить природу тёмной материи, удерживающей галактики от расползания.

Эксперимент KATRIN занялся прямым поиском такого кандидата. Учёные сосредоточились на спектре электронов, рождающихся при бета-распаде трития. Если в процессе участвует тяжёлое стерильное нейтрино, энергетическая кривая должна слегка исказиться - появилось бы характерное отклонение, по которому можно судить о наличии той самой скрытой частицы. Для столь чувствительного анализа в Германии построили установку длиной около семидесяти метров, где каждый элемент заточен под измерения на границе возможного.

Оборудование работает по довольно прозрачной схеме. Газообразный тритий служит источником электронов, гигантский спектрометр отвечает за точность их энергетической оценки, а конечный регистратор считает каждое событие, подходящее под критерии исследования. С 2019 года команда последовательно накапливала данные, выискивая малейшие искажения, которые могли бы выдать себя в виде небольшого излома на графике.

За 259 дней, охватывающих период с 2019 по 2021 год, специалисты зафиксировали 36 миллионов электронов. Точность измерений оказалась настолько высокой, что посторонние сигналы удалось практически убрать. И это была самая тщательная попытка отыскать стерильного кандидата именно через анализ тритиевого распада. Но сколько ни проверяли, никаких следов нового участника не появилось.

Такой результат перечёркивает более ранние заявления о возможном сигнале. В частности, противоречит выводам эксперимента Neutrino-4, где утверждалось, что слабое отклонение всё же обнаружили. KATRIN же продемонстрировал совершенно чистую картину без каких-либо признаков дополнительного состояния. Получившийся диапазон масс, исследованный установкой, дополняет данные проектов, работающих с реакторными потоками, включая STEREO: их чувствительность приходится на другие энергии. В совокупности эти направления формируют согласованную картину - лёгкий вариант гипотетического нейтрино, активно перемешивающийся с известными видами, не подтверждается.

Однако отказ от одной версии не означает остановки поисков. Анализ продолжается, и к 2025 году эксперимент накопит в зоне интереса уже более двухсот двадцати миллионов событий - число, которое увеличит статистику почти в шесть раз. Такая выборка даст возможность проверить куда меньшие углы смешивания и выйти за рамки нынешних ограничений.

А в 2026 году установка переживёт крупное обновление под названием TRISTAN. Новый детектор позволит исследовать полную энергетическую кривую распада трития, а не только её ограниченный участок. Благодаря этому появится доступ к намного более тяжёлым разновидностям гипотетических частиц, вплоть до диапазона килоэлектронвольт. Именно в этой области могут скрываться кандидаты, которые способны составлять тёмную материю. Поэтому, несмотря на неудачи, команда не сворачивает работы и готовится открыть следующую страницу поисков.