Standardowy model fizyki cząstek jest jednym z najbardziej imponujących osiągnięć nauki. Jest to rygorystyczny, precyzyjny wysiłek, aby zrozumieć i opisać trzy z czterech podstawowych sił Wszechświata: siłę elektromagnetyczną, silną siłę jądrową i słabą siłę jądrową. Grawitacja jest nieobecna, ponieważ jak dotąd dopasowanie jej do Modelu Standardowego było niezwykle trudne.
Ale w Modelu Standardowym są pewne dziury, a jedna z nich dotyczy masy neutrina.
Istnienie neutrina zostało po raz pierwszy zaproponowane w 1930 r., A następnie wykryte w 1956 r. Od tego czasu fizycy nauczyli się, że istnieją trzy rodzaje neutrin, które są obfite i nieuchwytne. Tylko specjalne urządzenia mogą je wykryć, ponieważ rzadko wchodzą w interakcje z inną materią. Jest ich kilka źródeł, a niektóre z nich ślizgają się w kosmosie od Wielkiego Wybuchu, ale większość neutrin w pobliżu Ziemi pochodzi ze Słońca.
Model standardowy przewiduje, że neutrina nie mają masy, podobnie jak fotony. Ale fizycy odkryli, że trzy rodzaje neutrin mogą się wzajemnie przekształcać podczas ruchu. Według fizyków powinni to robić tylko wtedy, gdy mają masę.
Ale ile masy? To pytanie zadaje fizykom cząstek elementarnych. Odpowiedź na to pytanie jest częścią tego, co napędza naukowców z KATRIN (eksperyment Karlsruhe Tritium Neutrino).
„Te ustalenia współpracy KATRIN zmniejszają poprzedni zakres masy neutrino dwa razy…”
HAMISH ROBERTSON, KATRIN NAUKOWIEC I PROFESOR EMERITUS FIZYKI NA UNIWERSYTECIE WASHINGTON.
Zespół naukowców wymyślił część odpowiedzi na to: masa neutrina nie może być większa niż 1,1 wolta elektronowego (eV.) Jest to zmniejszenie górnej granicy masy neutrina o prawie 1 eV; od 2 eV do 1,1 eV. Opierając się na wcześniejszych eksperymentach, w których ustalono dolną granicę masy na 0,02 eV, badacze wyznaczyli nowy zakres masy neutrina. Pokazuje, że neutrino ma mniej niż 1/500 000-tą masę elektronu. To ważny krok w rozwoju Modelu Standardowego.
„Znajomość masy neutrina pozwoli naukowcom odpowiedzieć na podstawowe pytania z kosmologii, astrofizyki i fizyki cząstek…”
Hamish Robertson, naukowiec i emerytowany profesor fizyki KATRIN na University of Washington.
Naukowcy odpowiedzialni za tę pracę pochodzą z 20 różnych instytucji badawczych na całym świecie. Współpracują z KATRIN w Karlsruhe Institute of Technology w Niemczech. Obiekt KATRIN jest wyposażony w 10-metrowy spektrometr o wysokiej rozdzielczości, który pozwala mu z dużą dokładnością mierzyć energie elektronów.
Zespół KATRIN zaprezentował swoje wyniki na konferencji Topics in Astroparticle and Underground Physics w 2019 r. W Toyama w Japonii 13 września.
„Znajomość masy neutrina pozwoli naukowcom odpowiedzieć na podstawowe pytania z kosmologii, astrofizyki i fizyki cząstek, takie jak ewolucja wszechświata lub jaka fizyka istnieje poza modelem standardowym” - powiedział Hamish Robertson, naukowiec i emerytowany profesor fizyki KATRIN na University of Washington. „Odkrycia dokonane w ramach współpracy KATRIN zmniejszają poprzedni zakres masy neutrino dwa razy, stawiają bardziej rygorystyczne kryteria rzeczywistej masie neutrina i zapewniają ścieżkę do ostatecznego pomiaru jej wartości”.
Neutrina są niezwykle trudne do wykrycia, mimo że są obfite. Tylko fotony są bardziej obfite. Jak mówi ich nazwa, są elektrycznie neutralni. To sprawia, że ich wykrycie jest niezwykle trudne. Istnieją obserwatoria neutrin zatopione głęboko w lodzie Antarktydy, a także głęboko w opuszczonych kopalniach. Często używają ciężkiej wody, aby zachęcić neutrina do interakcji. Kiedy neutrino wchodzi w interakcje, wytwarza promieniowanie Czerenkowa, które można zmierzyć.
„Gdyby wypełnić układ słoneczny ołowiem pięćdziesiąt razy poza orbitę Plutona, około połowa neutrin emitowanych przez słońce nadal opuszczałaby układ słoneczny bez interakcji z tym przewodem” - powiedział Robertson.
Historia neutrino ewoluowała w czasie wraz z eksperymentami takimi jak KATRIN. Pierwotnie model standardowy przewidywał, że neutrina nie będą miały masy. Ale w 2001 r. Dwa różne detektory wykazały, że ich masa jest różna od zera. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2015 została przyznana dwóm naukowcom, którzy wykazali, że neutrina mogą oscylować między typami, pokazując, że mają masę.
Obiekt KATRIN mierzy pośrednio masę neutrin. Działa poprzez monitorowanie rozpadu trytu, który jest wysoce radioaktywną formą wodoru. Gdy izotop trytu rozpada się, emituje pary cząstek: elektron i antyneutrino. Razem dzielą 18 560 eV energii.
W większości przypadków para cząstek dzieli 18,560 eV jednakowo. Ale w rzadkich przypadkach elektron pochłania większość energii, pozostawiając neutrino z bardzo małą ilością. Na tych rzadkich przypadkach skupiają się naukowcy.
Z powodu E = mC2 niewielka ilość energii pozostawiona neutrino w tych rzadkich przypadkach musi równać się jego masie. Ponieważ KATRIN ma moc dokładnego pomiaru elektronu, jest on również w stanie określić masę neutrina.
„Rozwiązanie masy neutrina wprowadziłoby nas w nowy odważny świat tworzenia nowego Modelu Standardowego” - powiedział Peter Doe, profesor fizyki z University of Washington, który pracuje nad KATRIN.
Ten nowy model standardowy, o którym wspomina Doe, może potencjalnie uwzględniać ciemną materię, która stanowi większość materii we Wszechświecie. Wysiłki takie jak KATRIN mogą pewnego dnia wykryć inny, czwarty rodzaj neutrino zwany sterylnym neutrino. Jak dotąd ten czwarty typ jest tylko przypuszczeniem, ale jest kandydatem na ciemną materię.
„Neutrina to dziwne małe cząsteczki”, powiedział Doe. „Są tak wszechobecne, a kiedy możemy ustalić tę wartość, możemy się wiele nauczyć”.
Ważne jest pokazanie, że neutrina mają masę, i ograniczenie zakresu tej masy. Ale fizycy cząstek wciąż nie wiedzą, w jaki sposób zdobywają swoją masę. To prawdopodobnie różni się od tego, w jaki sposób inne cząsteczki zdobywają swoje.
Takie wyniki KATRIN pomagają zamknąć dziurę w Modelu Standardowym i w naszym ogólnym zrozumieniu Wszechświata. Wszechświat jest pełen starożytnych neutrin z Wielkiego Wybuchu, a każdy postęp w masie neutrina pomaga nam zrozumieć, w jaki sposób Wszechświat uformował się i ewoluował.
Więcej:
- Informacja prasowa: KATRIN obniża szacunkową masę nieuchwytnego neutrina o połowę
- Karlsruhe Institute of Technology: KATRIN
- CERN: model standardowy
- Magazyn Symmetry: pięć tajemnic, których model standardowy nie potrafi wyjaśnić
- Wiadomości MIT: 3Q: Naukowcy ogolili szacunkową masę neutrina na pół
