Fysiker från KATRIN-samarbetet har rapporterat inga bevis för sterila neutriner i en precis analys av tritumförfallningsdata. Resultaten, publicerade i Nature, motsäger tidigare experimentella påståenden och stärker fallet mot en fjärde neutrintyp. Experimentet, baserat i Tyskland, fortsätter samla mer data för ytterligare tester.
Neutriner, bland de mest abundanta partiklarna i universum, är ökända för att vara svåra att detektera. Standardmodellen för partikelfysik erkänner tre typer, men anomalier i experiment har länge antytt möjligheten av en fjärde, kallad steril neutrin, som interagerar ännu svagare och potentiellt skulle vända upp och ner på vår förståelse av grundläggande fysik.
Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN)-experimentet, beläget vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland, är utformat för att mäta neutrinomassa genom att undersöka energierna hos elektroner från tritum beta-sönderfall. Det sträcker sig över 70 meter och har en tritumkälla, högupplöst spektrometer och detektor. I drift sedan 2019 har KATRIN nu genomfört den mest känsliga direkta sökningen efter sterila neutriner hittills.
Genom att analysera data från 259 dagar mellan 2019 och 2021, som inkluderade cirka 36 miljoner elektroner, fann teamet inga distortioner i elektronenergispektrumet som skulle indikera en steril neutrin. Detta resultat utesluter ett brett spektrum av sterila neutrinmöjligheter som antytts av tidigare reaktor- och galliumexperiment, och motsäger direkt påståenden från Neutrino-4-experimentet.
"Vårt nya resultat är fullt komplementärt till reaktorexperiment som STEREO", sade Thierry Lasserre vid Max-Planck-Institut für Kernphysik, som ledde analysen. "Medan reaktorexperiment är mest känsliga för sterila-aktiva masspåklyftningar under några eV² undersöker KATRIN området från några till flera hundra eV². Tillsammans utesluter de två metoderna nu konsekvent lätta sterila neutriner som skulle blanda sig märkbart med de kända neutrintyperna."
KATRIN:s låga bakgrund ger rena mätningar vid neutrinoproduktionspunkten, till skillnad från oscilltionsstudier som spårar förändringar över avstånd. Samarbetet planerar att samla data fram till 2025, med målet att nå över 220 miljoner elektroner för att öka precisionen med en faktor sex, enligt medporttalare Kathrin Valerius vid KIT.
En uppgradering 2026 kommer att införa TRISTAN-detektorn för att undersöka tyngre sterila neutriner, möjligen i keV-området kopplat till mörk materia. "Denna nästa generationsuppsättning kommer att öppna ett nytt fönster till keV-massområdet, där sterila neutriner till och med kan utgöra universums mörka materia", noterade medporttalare Susanne Mertens vid Max-Planck-Institut für Kernphysik.
Med över 20 institutioner från sju länder exemplifierar KATRIN internationellt vetenskapligt samarbete inom partikelfysik.
