The Standardni model fizike delcev je eden najbolj impresivnih podvigov znanosti. Gre za strogo, natančno prizadevanje za razumevanje in opis treh štiri temeljne sile vesolja: elektromagnetna sila, močna jedrska sila in šibka jedrska sila. Gravitacija je odsotna, ker je bilo doslej vstavljanje v standardni model izjemno zahtevno.
Toda v standardnem modelu je nekaj lukenj in ena od njih vključuje maso nevtrina.
Obstoj nevtrina je bil prvič predlagan leta 1930, nato pa odkrit leta 1956. Od takrat so se fiziki naučili, da obstajajo tri vrste nevtrinov, ki so v izobilju in izmuzljivi. Zaznajo jih lahko le posebne naprave, ker le redko sodelujejo z drugimi snovmi. Zanje obstaja več virov in nekateri od njih se premikajo po vesolju že od velikega poka, vendar večina nevtrinov blizu Zemlje prihaja iz Sonca.
Standardni model predvideva, da nevtrini nimajo mase, tako kot fotoni. Toda fiziki so ugotovili, da se lahko tri vrste nevtrinov med premikanjem spremenijo drug v drugega. Po mnenju fizikov naj bi to zmogli le, če imajo maso.
Standardni model osnovnih delcev. Slika: avtor MissMJ – lastno delo nalagatelja, PBS NOVA [1], Fermilab, Urad za znanost, Ministrstvo za energijo Združenih držav Amerike, Skupina za podatke o delcih, CC BY 3.0
Toda koliko mase? To je vprašanje, ki muči fizike delcev. In odgovor na to vprašanje je del tega, kar žene znanstvenike pri KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
10-metrski spektrometer visoke ločljivosti v središču KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Image Credit: KATRIN Collaboration.
'Te ugotovitve sodelovanja KATRIN zmanjšajo prejšnji masni razpon za nevtrino za faktor dva ...'
HAMISH ROBERTSON, KATRIN ZNANSTVENIK IN ZASLUŽNI PROFESOR FIZIKE NA Univerzi v WASHINGTONU.
Skupina raziskovalcev je prišla do dela odgovora na to: masa nevtrina ne sme biti večja od 1,1 elektron volta (eV). To je zmanjšanje zgornje meje mase nevtrina za skoraj 1 eV; od 2 eV do 1,1 eV. Z nadgradnjo na prejšnjih poskusih, ki so določili spodnjo mejo mase na 0,02 eV, so ti raziskovalci postavili nov razpon za maso nevtrina. Kaže, da ima nevtrino manj kot 1/500.000 mase elektrona. To je pomemben korak pri napredku standardnega modela.
'Poznavanje mase nevtrina bo znanstvenikom omogočilo odgovore na temeljna vprašanja v kozmologiji, astrofiziki in fiziki delcev ...'
Hamish Robertson, znanstvenik KATRIN in zaslužni profesor fizike na Univerzi v Washingtonu.
Raziskovalci, ki stojijo za tem delom, prihajajo iz 20 različnih raziskovalnih institucij po vsem svetu. Sodelujejo z KATRIN na Inštitutu za tehnologijo Karlsruhe v Nemčiji. Objekt KATRIN ima 10-metrski spektrometer visoke ločljivosti, ki omogoča merjenje energij elektronov z veliko natančnostjo.
Instrument KATRIN ima spektrometer visoke ločljivosti, ki omogoča merjenje elektronskih voltov z izjemno natančnostjo. Ta diagram prikazuje postavitev in glavne značilnosti eksperimentalne naprave KATRIN na Inštitutu za tehnologijo Karlsruhe. Zasluge za sliko: Karlsruhe Institute of Technology
Ekipa KATRIN je svoje rezultate predstavila na 2019 Teme iz astrodelcev in podzemne fizike konferenci v Toyami na Japonskem, 13. septembra.
'Poznavanje mase nevtrina bo znanstvenikom omogočilo odgovore na temeljna vprašanja v kozmologiji, astrofiziki in fiziki delcev, na primer, kako se je vesolje razvilo ali kakšna fizika obstaja onkraj standardnega modela,' je dejal Hamish Robertson, znanstvenik KATRIN in zaslužni profesor fizike. na univerzi v Washingtonu. 'Te ugotovitve sodelovanja KATRIN zmanjšajo prejšnji razpon mase za nevtrino za faktor dva, postavljajo strožja merila glede tega, kakšna je dejansko masa nevtrina, in zagotavljajo pot naprej za dokončno merjenje njegove vrednosti.'
Nevtrine je zelo težko zaznati, čeprav jih je v izobilju. Le fotonov je več. Kot pove njihovo ime, so električno nevtralni. Zaradi tega je njihovo odkrivanje izjemno težko. Obstajajo opazovalnice za nevtrine, potopljene globoko v antarktični led in tudi globoko v zapuščene rudnike. Pogosto uporabljajo težko vodo, da privabijo nevtrine k interakciji. Ko nevtrino pride v interakcijo, nastane Čerenkovsko sevanje ki se da izmeriti.
Nevtrinov je skoraj nemogoče zaznati. En nevtrinski observatorij, imenovan IceCube Neutrino Laboratory, jih poskuša zaznati s potapljanjem nizov detektorjev globoko v hladen, temen antarktični led, kjer poskuša opazovati redke trenutke, ko nevtrini komunicirajo z drugo snovjo. Ta slika prikazuje vizualno predstavitev ene najvišjeenergijskih detekcij nevtrinov, ki je postavljena na pogled na laboratorij IceCube na južnem tečaju. Zasluge: IceCube Collaboration.
'Če bi sončni sistem napolnili s svincem do petdesetkrat dlje od orbite Plutona, bi približno polovica nevtrinov, ki jih oddaja sonce, še vedno zapustila sončni sistem brez interakcije s tem svincem,' je dejal Robertson.
Zgodovina nevtrina se je sčasoma razvila s poskusi, kot je KATRIN. Prvotno je standardni model predvideval, da nevtrini ne bodo imeli mase. Toda leta 2001 sta dva različna detektorja pokazala, da njuna masa ni nič. Nobelovo nagrado za fiziko 2015 je prejel dva znanstvenika ki je pokazal, da lahko nevtrini nihajo med vrstami, kar je pokazalo, da imajo maso.
Objekt KATRIN meri maso nevtrinov posredno. Deluje tako, da spremlja razpad tritija, ki je zelo radioaktivna oblika vodika. Ko tritijev izotop razpade, oddaja pare delcev: elektron in antinevtrino. Skupaj si delita 18.560 eV energije.
Modri sij Čerenkovega sevanja iz naprednega testnega reaktorja v Idahu. Zasluge slike: Argonne National Laboratory – prvotno objavljeno na Flickru kot jedro Advanced Test Reactor, Idaho National Laboratory Naloženo z uporabo F2ComButton, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27024528
V večini primerov si par delcev enako deli 18.560 eV. Toda v redkih primerih elektron prevzame večino energije, nevtrinu pa ostane zelo malo. Na te redke primere se osredotočajo znanstveniki.
Zaradi E=mC2 mora najmanjša količina energije, ki ostane za nevtrino, v teh redkih primerih enaka tudi njegovi masi. Ker ima KATRIN moč natančno izmeriti elektron, lahko določi tudi maso nevtrina.
'Rešitev mase nevtrina bi nas pripeljala v pogumen nov svet ustvarjanja novega standardnega modela,' je dejal Peter Doe, profesor fizike z Univerze v Washingtonu, ki dela na KATRIN.
Ta novi standardni model, ki ga Doe omenja, bi lahko imel potencial za upoštevanje temne snovi, ki sestavlja večino snovi v vesolju. Prizadevanja, kot je KATRIN, lahko nekega dne odkrijejo drugo, četrto vrsto nevtrina, imenovano sterilni nevtrino. Zaenkrat je ta četrta vrsta le domneva, vendar je kandidat za temno snov.
Računalniška simulacija porazdelitve snovi v vesolju. Oranžne regije gostijo galaksije; modre strukture so plin in temna snov. Možno je, da obstaja četrta vrsta neodkritega nevtrina, imenovana sterilni nevtrino, ki bi lahko predstavljal vso temno snov v vesolju. Zasluge: TNG Collaboration
'Nevtrini so čudni majhni delci,' je dejal Doe. 'Tako so vseprisotni in toliko se lahko naučimo, ko določimo to vrednost.'
Dokaz, da imajo nevtrini maso, in omejitev obsega te mase sta pomembna. Toda fiziki delcev še vedno ne vedo, kako pridobijo svojo maso. Verjetno je drugače kot drugi delci pridobijo svoje.
Rezultati, kot je ta iz KATRIN, pomagajo zapreti luknjo v standardnem modelu in v našem splošnem razumevanju vesolja. Vesolje je polno starodavnih nevtrinov iz Velikega poka in vsak napredek v masi nevtrina nam pomaga razumeti, kako se je vesolje oblikovalo in razvijalo.
Več:
- Izjava za javnost: KATRIN prepolovi oceno mase izmuzljivega nevtrina
- Karlsruhe Institute of Technology: KATRIN
- CERN: Standardni model
- Revija Symmetry: Pet skrivnosti, ki jih standardni model ne more razložiti
- Novice MIT: 3Q: Znanstveniki so prepolovili oceno nevtrinove mase