A részecskefizika standard modellje a tudomány egyik lenyűgözőbb látványossága. Szigorú, pontos erőfeszítés az univerzum négy alapvető erőjének háromának megértése és leírása: az elektromágneses erő, az erős nukleáris erő és a gyenge atommag. A gravitáció hiányzik, mivel eddig rendkívüli kihívást jelentett annak illesztése a standard modellbe.
Vannak lyukak a standard modellben, és az egyik a neutrino tömegét tartalmazza.
A neutrino létezését először 1930-ban javasolták, majd 1956-ban fedezték fel. Azóta a fizikusok megtanultak, hogy háromféle neutrinó létezik, és ezek bőségesek és megfoghatatlanok. Csak speciális létesítmények képesek észlelni őket, mivel ritkán lépnek kölcsönhatásba más anyaggal. Számos forrás számukra, és néhányuk a Nagyrobbanás óta az űrben zippel, de a Föld közeli neutrinók többsége a Napból származik.
A standard modell azt jósolja, hogy a neutrinóknak nincs tömege, mint a fotonoké. A fizikusok azonban úgy találták, hogy a három típusú neutrinó mozogva átalakulhat egymásba. A fizikusok szerint csak akkor tudják ezt megtenni, ha tömegük van.
De mennyi tömeg? Ez a kérdés vonzza a részecskefizikusokat. És a kérdés megválaszolása része annak, ami a KATRIN kutatóit ösztönzi (Karlsruhe trícium-neutrino-kísérlet.)
"Ezek a KATRIN együttműködés eredményei két alkalommal csökkentik a neutrino korábbi tömegtartományát ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN TUDOMÁNYOS ÉS A FIZIKA SZAKMAI EMERITUSA a WASHINGTON EGYETEMEN.
Egy kutatócsoport felvázolta a válasz egy részét: a neutrino tömege nem haladhatja meg a 1,1 elektronvolta (eV.) Értéket. Ez a neutrino tömegének felső határát közel 1 eV-rel csökkenti; 2 eV-tól 1,1 eV-ig. Azokat a korábbi kísérleteket építve, amelyek az alsó tömeghatárt 0,02 eV-nál állították be, ezek a kutatók új tartományt állítottak fel a neutrino tömegére. Ez azt mutatja, hogy egy neutrinónak kevesebb, mint 1/500 000-e az elektron tömege. Ez fontos lépés a standard modell továbbfejlesztésében.
"A neutrino tömegének ismerete lehetővé teszi a tudósoknak, hogy válaszoljanak a kozmológia, az asztrofizika és a részecskefizika alapvető kérdéseire ..."
Hamish Robertson, a KATRIN tudós és a washingtoni egyetem fizika emeritus professzora.
A munka alapjául szolgáló kutatók 20 különböző kutatóintézetből származnak a világ minden tájáról. A KATRIN-rel együtt dolgoznak a németországi Karlsruhe Technológiai Intézetben. A KATRIN létesítmény 10 méter nagy felbontású spektrométert tartalmaz, amely lehetővé teszi az elektronenergia nagy pontosságú mérését.
A KATRIN csapata szeptember 13-án mutatta be eredményeit a japán Toyamában (2019. évi asztrológia és föld alatti fizika) tartott konferencián.
"A neutrino tömegének ismerete lehetővé teszi a tudósoknak, hogy válaszoljanak a kozmológia, az asztrofizika és a részecskefizika alapvető kérdéseire, például az univerzum fejlődéséről vagy arról, hogy milyen fizika létezik a szabványmodellön kívül" - mondta Hamish Robertson, a KATRIN tudós és a fizika emeritus professzora. a washingtoni egyetemen. "Ezek a KATRIN együttműködés eredményei két tényezővel csökkentik a neutrino korábbi tömegtartományát, szigorúbb kritériumokat határoznak meg a neutrino tömegének valódi tényezőiről, és utat biztosítanak az érték végleges méréséhez."
A neutrinokat nehezen felismerhető, bár bőségesek. Csak fotonok gazdagabbak. Mint a neve is mondja, elektromosan semlegesek. Ez rendkívül nehéz őket felismerni. Vannak olyan neutrino-obszervatóriumok, amelyek mélyen süllyedtek az Antarktiszi jégbe, valamint az elhagyott aknákba is. Gyakran nehéz vizet használnak a neutrinók interakciójának csábítására. Amikor egy neutrinó kölcsönhatásba lép, Cherenkov sugárzást hoz létre, amely mérhető.
"Ha ötvenszor feltöltötte a napelemet Plútó pályáján túl, a nap által kibocsátott neutrinók kb. Fele továbbra is elhagyja a Naprendszert anélkül, hogy kölcsönhatásba lépne vele." - mondta Robertson.
A neutrino története az idő múlásával olyan kísérletekkel alakult ki, mint például a KATRIN. Eredetileg a standard modell előrejelzése szerint a neutrinók tömege nem lesz. De 2001-ben két különféle detektor megmutatta, hogy tömegük nem nulla. A 2015. évi fizikai Nobel-díjat két tudósnak ítélték meg, akik bebizonyították, hogy a neutrinók osztozhatnak a típusok között, megmutatva, hogy tömegük van.
A KATRIN létesítmény közvetett módon méri a neutrinók tömegét. Úgy működik, hogy megfigyeli a trícium bomlását, amely hidrogén erősen radioaktív formája. Amint a trícium-izotóp lebomlik, részecskepárokat bocsát ki: egy elektronot és egy anti-neutrinót. Együtt 18,560 eV energiát osztanak meg.
A legtöbb esetben a részecskepár egyenlően osztja a 18 560 eV-t. Ritka esetekben az elektron az energiának a legnagyobb részét elhagyja, és a neutrino kevés marad. Ezekre a ritka esetekre összpontosítanak a tudósok.
E = mC2 miatt a neutrinó számára hagyott apró energiamennyiségnek ezekben a ritka esetekben meg kell egyezniük a tömegével. Mivel a KATRIN képes pontosan mérni az elektront, képes meghatározni a neutrino tömegét.
"A neutrino tömegének megoldása egy új, szokásos modell létrehozásának bátor, új világába vezet bennünket" - mondta Peter Doe, a washingtoni egyetem fizikai kutató professzora, aki a KATRIN-n dolgozik.
Ez az új standard modell, amelyet Doe megemlít, lehet, hogy figyelembe veszi a sötét anyagot, amely az univerzum anyagának nagy részét képezi. Az olyan erőfeszítések, mint a KATRIN, egy nap felismerhetnek egy másik, a steril neutrínónak nevezett negyedik típusú neutrino-t. Ez a negyedik típus eddig csak sejtés, de a sötét anyag jelöltje.
"A neutrinek furcsa kis részecskék" - mondta Doe. "Annyira mindenütt jelen vannak, és annyi mindent megtanulhatunk, amikor meghatározzuk ezt az értéket."
Fontos az is, hogy megmutatjuk, hogy a neutrínók tömege, és korlátozzuk annak tömegét. De a részecskefizikusok még mindig nem tudják, hogyan növelik meg tömegüket. Valószínűleg más, mint hogy más részecskék megszerezzék az övékét.
A KATRIN ilyen eredményei segítenek egy lyuk bezárásában a standard modellben és az univerzum általános megértésében. Az univerzum tele van a Big Bang ókori neutrinóival, és a neutrino tömegének minden haladása segít megérteni, hogyan alakult és fejlődött az univerzum.
Több:
- Sajtóközlemény: A KATRIN felére csökkenti a megfoghatatlan neutrino tömegbecslését
- Karlsruhe Technológiai Intézet: KATRIN
- CERN: A standard modell
- Symmetry Magazine: Öt rejtély, a standard modell nem magyarázható
- MIT hírek: 3Q: A tudósok felére hajtják a neutrínó tömegének becslését
