Duża maszyna do zliczania elektronów pośrednio podniosła pomiar najbardziej śliskiej znanej cząstki w fizyce - i dodała do dowodów na istnienie ciemnej materii.
Pomiar ten jest pierwszym wynikiem międzynarodowego wysiłku zmierzającego do pomiaru masy neutrin - cząstek wypełniających nasz wszechświat i określających jego strukturę, ale których ledwo jesteśmy w stanie wykryć. Neutrina, zgodnie z niemieckim eksperymentem Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), mają nie więcej niż 0,0002% masy elektronu. Liczba ta jest tak niska, że nawet gdybyśmy zgromadzili wszystkie neutrina we wszechświecie, nie byliby w stanie wyjaśnić brakującej masy. I ten fakt dodaje stos dowodów na istnienie ciemnej materii.
KATRIN jest w gruncie rzeczy bardzo dużą maszyną do zliczania elektronów o bardzo wysokiej energii, które wybuchają z próbki trytu - radioaktywnej formy wodoru. z jednym protonem i dwoma neutronami w każdym atomie. Tryt jest niestabilny, a jego neutrony rozpadają się na pary elektron-neutrino. KATRIN szuka elektronów, a nie neutrin, ponieważ neutrina są zbyt słabe, aby je dokładnie zmierzyć. Maszyna wykorzystuje gaz trytowy, według Hamisha Robertsona, naukowca i emerytowanego profesora KATRIN na University of Washington, ponieważ jest to jedyne źródło elektronowo-neutrinowe na tyle proste, aby uzyskać dobry pomiar masy.
Neutrina są mniej lub bardziej niemożliwe do samodzielnego zmierzenia, ponieważ mają tak małą masę i mają tendencję do omijania detektorów bez interakcji z nimi. Aby obliczyć masę neutrin, Robertson powiedział Live Science, KATRIN liczy najbardziej energetyczne elektrony i działa wstecz od tej liczby, aby wydedukować masę neutrina. Ogłoszono pierwsze wyniki KATRIN, a naukowcy doszli do wczesnego wniosku: masa neutrin ma masę nie wyższą niż 1,1 wolta elektronowego (eV).
Wolty elektronowe to jednostki masy i energii używane przez fizyków podczas mówienia o najmniejszych rzeczach we wszechświecie. (W skali cząstek podstawowych energia i masa są mierzone przy użyciu tych samych jednostek, a pary neutrino-elektrony muszą mieć połączone poziomy energii równoważne ich źródłowemu neutronowi.) Bozon Higgsa, który pożycza innym cząsteczkom ich masę, ma masa 125 miliardów EV. Protony, cząstki w centrum atomów, mają masy około 938 milionów eV. Elektrony to zaledwie 510 000 eV. Ten eksperyment potwierdza, że neutrina są niezwykle małe.
KATRIN jest bardzo dużą maszyną, ale jej metody są proste, powiedział Robertson. Pierwsza komora urządzenia jest pełna gazowego trytu, którego neutrony naturalnie rozpadają się na elektrony i neutrina. Fizycy już wiedzą, ile energii jest zaangażowane, gdy neutron rozpada się. Część energii jest przekształcana w masę neutrina i masę elektronu. A resztę wlewa się do tych nowo powstałych cząstek, bardzo z grubsza dyktując ich szybkość. Zwykle ta dodatkowa energia rozkłada się dość równomiernie między elektronem a neutrino. Ale czasami większość lub cała pozostała energia zostaje zrzucona na jedną lub drugą cząsteczkę.
W takim przypadku cała energia pozostała po uformowaniu neutrina i elektronu jest zrzucana do partnera elektronowego, tworząc elektron o bardzo wysokiej energii, powiedział Robertson. Oznacza to, że można obliczyć masę neutrina: jest to energia biorąca udział w rozpadzie neutronów minus masa elektronu i maksymalny poziom energii elektronów w eksperymencie.
Fizycy, którzy zaprojektowali eksperyment, nie próbowali mierzyć neutrin; te mogą uciec z maszyny nietknięte. Zamiast tego eksperyment przenosi elektrony do wielkiej komory próżniowej, zwanej spektrometrem. Prąd elektryczny wytwarza wówczas bardzo silne pole magnetyczne, przez które mogą przechodzić tylko elektrony o największej energii. Na drugim końcu tej komory znajduje się urządzenie, które liczy, ile elektronów przedostaje się przez pole. Kiedy KATRIN powoli zwiększa siłę pola magnetycznego, Robertson powiedział, że liczba elektronów przechodzi przez skurcze - prawie tak, jakby miał zanikać aż do zera. Ale na samym końcu tego spektrum poziomów energii elektronowej coś się dzieje.
„Widmo umiera nagle, zanim dotrzesz do punktu końcowego, ponieważ elektron nie może skraść masy neutrina. Zawsze musi zostać pozostawiony neutrinom” - powiedział Robertson. Masa neutrina musi być mniejsza niż niewielka ilość energii brakująca na samym końcu spektrum. Po kilku tygodniach działania eksperymentatorzy zawęzili tę liczbę do około połowy liczby, o której wcześniej znali fizycy.
Idea, że neutrina w ogóle mają masę, jest rewolucyjna; Robertson zauważył, że Model Standardowy, podstawowa teoria fizyki opisująca świat subatomowy, kiedy nalegał, że neutrina w ogóle nie mają żadnej masy. Już w latach 80. rosyjscy i amerykańscy badacze próbowali mierzyć masy neutrin, ale ich wyniki były problematyczne i nieprecyzyjne. W pewnym momencie rosyjscy badacze ustalili masę neutrina dokładnie na 30 eV - ładna liczba, która ujawniłaby neutrina jako brakujące ogniwo, które wyjaśniłoby wielką strukturę grawitacyjną wszechświata, wypełniając całą brakującą masę - ale jedna które okazało się błędne.
Robertson i jego koledzy po raz pierwszy zaczęli pracować z gazowym trytem, po tym, gdy zdali sobie sprawę, że słabo radioaktywna substancja stanowi najbardziej precyzyjne źródło rozpadu neutronów dostępne dla nauki.
„To było długie poszukiwanie” - powiedział Robertson. „Rosyjski pomiar 30 eV był bardzo ekscytujący, ponieważ zamknąłby wszechświat grawitacyjnie. I nadal jest ekscytujący z tego powodu. Neutrina odgrywają dużą rolę w kosmologii i prawdopodobnie ukształtowały strukturę wszechświata na dużą skalę”.
Wszystkie te słabe cząstki latające dookoła szarpią wszystko inne swoją grawitacją oraz pobierają i pożyczają energię z całej innej materii. Chociaż w miarę zmniejszania się liczby masowej Robertson powiedział, dokładna rola, jaką odgrywają te małe cząsteczki, staje się bardziej skomplikowana.
Naukowiec powiedział, że liczba 1,1 eV jest interesująca, ponieważ jest to pierwsza uzyskana eksperymentalnie liczba mas neutrin, która nie jest wystarczająco wysoka, aby wyjaśnić strukturę reszty wszechświata.
„Jest materia, o której jeszcze nie wiemy. Jest ciemna materia” i nie można jej zbudować z neutrin, o których wiemy, powiedział.
Tak więc ta niewielka liczba z dużej komory próżniowej w Niemczech co najmniej dodaje do stosu dowodów, że wszechświat zawiera elementy, których fizyka wciąż nie rozumie.
