Standardni model fizike delcev je eden izmed najbolj impresivnih podvigov znanosti. Natančen in natančen napor je razumeti in opisati tri od štirih temeljnih sil vesolja: elektromagnetno silo, močno jedrsko silo in šibko jedrsko silo. Gravitacija je odsotna, ker je bila doslej vgradnja v standardni model izjemno zahtevna.
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 fiziki izvedeli, da obstajajo tri vrste nevtrinov, ki so obilne in nedostopne. Zaznajo jih lahko le posebni objekti, saj le redko posegajo v drugo zadevo. Zanje obstaja več virov in nekateri med njimi že od velikega poka streljajo po vesolju, vendar večina nevtrinov v bližini Zemlje prihaja s Sonca.
Standardni model napoveduje, da nevtrini nimajo mase, kot fotoni. Toda fiziki so ugotovili, da se lahko tri vrste nevtrinov med seboj spreminjajo med seboj. Po mnenju fizikov naj bi to lahko storili le, če imajo množico.
Toda koliko mase? To je vprašanje, ki se ukvarja s fiziki delcev In odgovor na to vprašanje je del tistega, kar poganja znanstvenike v KATRIN-u (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Te ugotovitve s sodelovanjem KATRIN zmanjšajo prejšnji razpon mase nevtrina za faktor dva ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRINSKI ZNANSTVO IN PROFESORSKI EMERITUS FIZIKE NA UNIVERZI V WASHINGTONU.
Skupina raziskovalcev je našla del odgovora na to: masa nevtrina ne sme biti večja od 1,1 elektronskih voltov (eV.) To je znižanje zgornje meje mase nevtrina za skoraj 1 eV; od 2 eV navzdol do 1,1 eV. Z nadgradnjo na prejšnjih poskusih, ki so spodnjo mejno maso postavili na 0,02 eV, so ti raziskovalci postavili nov obseg za nevtrino maso. Iz njega je razvidno, da ima nevtrino manj kot 1 / 500.000 maso elektrona. To je pomemben korak pri napredku standardnega modela.
"Poznavanje mase nevtrina bo znanstvenikom omogočilo odgovor na temeljna vprašanja s področja kozmologije, astrofizike in fizike delcev ..."
Hamish Robertson, znanstvenik KATRIN in profesor emeritus fizike na Univerzi v Washingtonu.
Raziskovalci, ki stojijo za tem delom, prihajajo iz 20 različnih raziskovalnih institucij po vsem svetu. Sodelujejo s KATRIN na Tehnološkem inštitutu Karlsruhe v Nemčiji. Objekt KATRIN ima 10-metrski spektrometer z visoko ločljivostjo, ki mu omogoča natančno merjenje energije elektronov.
Ekipa KATRIN je 13. septembra predstavila svoje rezultate na konferenci Topics in Astroparticle and Underground Physics v Toyami na Japonskem.
"Poznavanje mase nevtrina bo znanstvenikom omogočilo odgovor na temeljna vprašanja v kozmologiji, astrofiziki in fiziki delcev, na primer, kako se je vesolje razvijalo ali kaj fizika obstaja izven standardnega modela," je dejal Hamish Robertson, KATRIN znanstvenik in profesor emeritus fizike na Univerzi v Washingtonu. "Te ugotovitve v sodelovanju s KATRIN zmanjšujejo prejšnji razpon mase nevtrina za dva faktorja, postavijo strožja merila glede na to, kakšna je dejansko masa nevtrina, in zagotavljajo pot do dokončnega merjenja njegove vrednosti."
Nevtrine je sicer težko zaznati, čeprav jih je veliko. Samo fotoni so bolj obilni. Kot pove njihovo ime, so električno nevtralni. Zaradi tega jih je izjemno težko zaznati. Obstajajo nevtrino opazovalnice, ki so se potopile globoko v led na Antarktiki in prav tako globoko v zapuščenih rudnikih. Pogosto uporabljajo težko vodo, da spodbudijo nevtrine k interakciji. Kadar nevtrino vzajemno deluje, proizvaja Čerenkovo sevanje, ki ga je mogoče izmeriti.
"Če bi sončni sistem napolnili s petimi kratami izven orbite Plutona, bi približno polovica nevtrinov, ki jih oddaja sonce, še vedno zapustila sončni sistem, ne da bi pri tem sodelovala," je dejal Robertson.
Zgodovina nevtrina se je s časom razvijala s poskusi, kot je KATRIN. Prvotno je standardni model predvideval, da nevtrini ne bodo imeli veliko mase. Toda leta 2001 sta dva različna detektorja pokazala, da njihova masa ni nič. Nobelova nagrada za fiziko za leto 2015 je bila podeljena dvema znanstvenikoma, ki sta pokazala, da lahko nevtrini nihajo med tipi, kar kaže, da imajo maso.
Objekt KATRIN posredno meri maso nevtrinov. Deluje s spremljanjem razpada tricija, ki je visoko radioaktivna oblika vodika. Ko razpad tritijevega izotopa oddaja par delcev: elektron in anti-nevtrino. Skupaj si delijo 18.560 eV energije.
V večini primerov par delcev deli 18.560 eV enako. Toda v redkih primerih elektroni srkajo večino energije, nevtrino pa pustijo zelo malo. Znanstveniki so osredotočeni na te redke primere.
Zaradi E = mC2 mora biti majhna količina energije, ki jo v teh redkih primerih ostane za nevtrino, enaka tudi njegovi masi. Ker ima KATRIN moč za natančno merjenje elektrona, lahko določi tudi maso nevtrina.
"Reševanje mase nevtrina bi nas popeljalo v pogumen nov svet ustvarjanja novega standardnega modela," je dejal Peter Doe, profesor fizike z univerze v Washingtonu, ki deluje na KATRIN-u.
Ta novi standardni model, ki ga omenja Doe, ima lahko potencialno upoštevanje temne snovi, ki predstavlja večino zadeve v vesolju. Pri naporih, kot je KATRIN, lahko nekega dne zaznamo drugo, četrto vrsto nevtrina, imenovano sterilni nevtrino. Zaenkrat je ta četrta vrsta le domneva, vendar je kandidat za temno snov.
"Nevtrini so čudni majhni delci," je dejal Doe. "Tako zelo so vseprisotni in toliko jih lahko naučimo, ko določimo to vrednost."
Pomembno je pokazati, da imajo nevtrini maso in omejujejo obseg te mase. Toda fiziki delcev še vedno ne vedo, kako pridobijo svojo maso. Verjetno je drugače kot to, kako drugi delci pridobijo svoje.
Taki rezultati iz KATRIN-a pomagajo zapreti luknjo v standardnem modelu in pri našem celotnem razumevanju vesolja. Vesolje je polno starodavnih nevtrinov iz Velikega poka, in vsak napredek v množici nevtrinov nam pomaga razumeti, kako se je Vesolje oblikovalo in razvijalo.
Več:
- Sporočilo za javnost: KATRIN je presojo mase za nevzdržni nevtrino prepolovil
- Tehnološki inštitut Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Standardni model
- Revija Symmetry: Pet skrivnosti, ki jih standardni model ne more razložiti
- MIT News: 3Q: Znanstveniki brijejo oceno mase nevtrinov na polovico
