Графен, обогащенный тритием, может ускорить поиски массы нейтрино
Группа физиков во главе с Валентиной Тоццини из Института нанонауки в Пизе опубликовала в журнале Physical Review C новые теоретические расчеты, предполагающие, что графен, насыщенный тритием, может дать будущим экспериментам решающее преимущество в измерении масс нейтрино с беспрецедентной точностью.
Рис. Расчеты предсказывают, что графен должен подавлять отдачу гелия-3 после бета-распада, что позволит определить массу нейтрино, используя вылетающий электрон. Источник: Андреа Касале и др.
Нейтрино бывают трех типов, или "ароматизаторов" (электрон, мюон и тау-частица), но не остаются постоянно в каком-либо одном типе. По мере движения в пространстве частицы спонтанно переходят между тремя типами: загадочное явление, которое физики назвали "нейтринными колебаниями". Этот эффект особенно загадочен, поскольку он может происходить только в том случае, если разные ароматы имеют немного отличающиеся массы. Это означает, что нейтрино не могут быть полностью безмассовыми, но поскольку осцилляции выявляют только различия между массами, а не их абсолютные значения, фактическая масса каждого аромата остается неизвестной. На данный момент эксперименты показали, что масса составляет менее 0,45 электронвольт (примерно в миллион раз меньше электрона), но прямого измерения еще не проводилось.
Один из наиболее перспективных способов прямого измерения основан на радиоактивном бета-распаде трития : редкого изотопа водорода, содержащего два нейтрона и один протон. При распаде этого атома испускаются электрон и антинейтрино, которые делят между собой доступную энергию. Поскольку нейтрино уносит лишь крошечную часть этой энергии, более тяжелое нейтрино оставляет несколько иной след в энергии испускаемого электрона.
Измеряя миллионы этих электронов с высокой точностью, физики могут, двигаясь в обратном направлении, определить массу нейтрино. Сложность заключается в том, что этот след проявляется только в чрезвычайно узком диапазоне энергий электронов, что требует как мощного источника трития, так и исключительно высокого энергетического разрешения.
В работе были использованы расчеты из первых принципов для построения модели на основе фундаментальных принципов квантовой механики. Благодаря этому удалось изучить, что происходит, когда атомы трития подвергаются бета-распаду при связывании с атомарно-толстым слоем графена. Ключевое открытие заключается в том, что тяжелая атомная решетка графена подавляет отдачу ядра гелия-3, образующегося при распаде, сохраняя большую часть энергии распада доступной для измерения в вылетающем электроне. Это отражает хорошо известный эффект в гамма-спектроскопии, где ядра, заключенные в твердое тело, излучают радиацию с исключительно резкими спектральными характеристиками.
