Egy nagy, elektronszámláló gép közvetett módon elvégezte a fizikában a legcsekélyebb ismert részecske mérését - és hozzáadta a sötét anyag bizonyítékainak.
Ez a mérés az első olyan nemzetközi erőfeszítés eredménye, amely megmérte a világegyetemünket tömörítő és a felépítését meghatározó, a neutrínók tömegét - ezeket alig tudjuk észlelni. A német székhelyű Karlsruhe trícium-neutrino-kísérlet (KATRIN) szerint a neutronok elektronjainak tömege nem haladja meg a 0,0002% -ot. Ez a szám annyira alacsony, hogy még ha a világegyetemben levő összes neutrínót felszámolnánk is, nem tudnák megmagyarázni annak hiányzó tömegét. És ez a tény növeli a sötét anyag létezésének bizonyítékát.
A KATRIN alapvetően egy nagyon nagy gép a szuper-nagy energiájú elektronok számlálására, amelyek kitörnek a trícium mintából - ez a hidrogén radioaktív formája. mindegyik atomban egy proton és két neutron található. A trícium instabil, és neutronjai elektron-neutrino párokra bomlanak. A KATRIN az elektronokat keresi, és nem a neutrinókat, mert a neutrinók túl halványak a pontos méréshez. És a gép tríciumgázt használ - mondta Hamish Robertson, a KATRIN tudós és a washingtoni egyetem emeritus professzora, mert ez az egyetlen elektron-neutrino-forrás, amely elég egyszerű ahhoz, hogy jó tömegmérést kapjon.
A neutrinokat többé-kevésbé lehetetlen egyedileg pontosan mérni, mivel kevés tömegük van, és hajlamosak kihagyni az érzékelőket anélkül, hogy velük kölcsönhatásba lépnének. Tehát a neutrinók tömegének kiszámításához - mondta Robertson a Live Science-nek - a KATRIN megszámolja a legintenzívebb elektronokat, és visszafelé dolgozik ettől a számtól a neutrino tömegének kiszámításához. Bejelentették a KATRIN első eredményeit, és a kutatók korai következtetésre jutottak: a neutronok tömege nem haladja meg a 1,1 elektronvolta (eV) -ot.
Az elektronvolt az a tömeg- és energiaegység, amelyet a fizikusok használnak, amikor az univerzum legkisebb dolgairól beszélnek. (Az alapvető részecskék skáláján az energiát és a tömeget ugyanazon egységekkel mérik, és a neutrino-elektron pároknak a forrás-neutronukkal egyenértékű kombinált energiaszintekkel kell rendelkezniük.) A Higgs-bozonnak, amely más részecskéket kölcsönöz a tömegüknek, tömege 125 milliárd EV. A protonok, az atomok központjában lévő részecskék tömege körülbelül 938 millió eV. Az elektronok csupán 510 000 eV. Ez a kísérlet megerősíti, hogy a neutrinók hihetetlenül aprók.
A KATRIN nagyon nagy gép, de módszerei egyszerűek - mondta Robertson. Az eszköz első kamra tele gáznemű tríciummal, amelynek neutronjai természetesen elektronokká és neutrinosokká bomlanak. A fizikusok már tudják, mennyi energiát vesz igénybe egy neutron lebomlásakor. Az energia egy részét a neutrínó tömegévé és az elektron tömegé alakítják. És a többit beleöntik az újonnan létrehozott részecskékbe, nagyon durván diktálják, milyen gyorsan megyek. Ez az extra energia általában egyenletesen oszlik meg az elektron és a neutrino között. De néha a fennmaradó energia nagy része vagy egésze belemerül egyik vagy másik részecskébe.
Ebben az esetben a neutrino és az elektron kialakulása után megmaradó összes energia az elektronpartnerbe kerül, és szuper-nagy energiájú elektronot képez - mondta Robertson. Ez azt jelenti, hogy a neutrino tömegét kiszámolhatjuk: Ez a neutronpusztulásban részt vevő energia mínusz az elektron tömege és az elektronok maximális energiaszintje a kísérletben.
A kísérletet tervező fizikusok nem próbálták megmérni a neutrinókat; ezek szabadon hagyhatják a gépet érintetlenül. Ehelyett a kísérlet az elektronokat egy óriás vákuumkamrába tölti be, amelyet spektrométernek hívnak. Ezután egy elektromos áram létrehoz egy nagyon erős mágneses teret, amelyen csak a legnagyobb energiájú elektronok tudnak átmenni. A kamra másik végében egy olyan eszköz található, amely megszámolja, hogy hány elektron jut át a mezőn. Ahogy a KATRIN lassan növeli a mágneses erő erősségét - mondta Robertson -, az elektronok száma, amely átjut az átmenő zsugorodásra - szinte olyan, mintha egészen nullához fog elhalványulni. De az elektronenergia-szint ezen spektrumának végén történik valami.
"A spektrum hirtelen meghal, még mielőtt elérné a végpontot, mert a neutrino tömegét nem tudja ellopni az elektron. Ezt mindig el kell hagyni a neutrinók számára" - mondta Robertson. A neutrino tömegének kevesebbnek kell lennie, mint az a kis energiamennyiség, amely hiányzik a spektrum végéből. És néhány hetes futásidejü után a kísérletezõk ezt a számot mintegy felére szűkítették, amelyrõl a fizikusok korábban tudtak.
Az a gondolat, hogy a neutrínóknak tömege egyáltalán forradalmi; a szokásos modell, a támaszpontú fizikaelmélet, amely leírja a szubatómiai világot, amint azt állították, hogy a neutrinóknak nincs tömegük - mutatott rá Robertson. Az 1980-as években az orosz és az amerikai kutatók megpróbálták megmérni a neutrino tömeget, ám ezek eredményei problematikusak és pontatlanok voltak. Az orosz kutatók egy ponton pontosan 30 eV-nál rögzítették a neutrino tömegét - ez egy szép szám, amely a neutrinókat felfedte volna a hiányzó láncszemként, amely megmagyarázta az univerzum nagy gravitációs szerkezetét, és kitölti az összes hiányzó tömeget - de egy ez kiderült, hogy rossz.
Robertson és kollégái először akkor kezdték el a gáznemű tríciummal foglalkozni, miután rájöttek, hogy a gyengén radioaktív anyag a tudomány számára elérhető legpontosabb neutronbontás forrása.
"Ez egy hosszú kutatás" - mondta Robertson. "Az orosz 30 eV-os mérés nagyon izgalmas volt, mert gravitációs úton bezárta volna az univerzumot. És ezért még mindig izgalmas. A neutrínók nagy szerepet játszanak a kozmológiában, és valószínűleg meghatározták az univerzum nagy léptékű szerkezetét."
Mindezek a gyenge részecskék, amelyek repülnek a vontató körül, mindegyik gravitációval, és energiát vesznek és kölcsönöznek minden más anyagtól. Noha a tömegszám csökken, Robertson mondta, ezeknek a kis részecskéknek a pontos szerepe bonyolultabbá válik.
A kutató szerint az 1,1 eV-os szám érdekes, mivel ez az első kísérletileg nyert neutrino tömegszám, amely nem elég magas ahhoz, hogy magyarázza az univerzum többi részének szerkezetét önmagában.
"Van egy olyan anyag, amelyről még nem tudunk valamit. Van ez a sötét anyag" - és nem lehet abból a neutrínókból készíteni, amelyekről tudunk - mondta.
Tehát ez a kis szám egy nagy németországi vákuumkamrából legalább azt bizonyítja, hogy az univerzumban vannak olyan elemek, amelyeket a fizika még mindig nem ért.
