Velik stroj za štetje elektronov je posredno pokazal merjenje najbolj spolzkih znanih delcev v fiziki - in dokazal za temno snov.
Ta meritev je prvi rezultat mednarodnega prizadevanja za merjenje mase nevtrinov - delcev, ki napolnjujejo naše vesolje in določajo njegovo strukturo, vendar jih komaj zaznamo. Glede na nemški eksperiment Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) nevtrini nimajo več kot 0,0002% mase elektrona. Ta številka je tako nizka, da tudi če bi zbrali vse nevtrine v vesolju, ne bi mogli razložiti njene manjkajoče mase. In to dejstvo dodaja kup dokazov o obstoju temne snovi.
KATRIN je v bistvu zelo velik stroj za štetje super-visokoenergijskih elektronov, ki izbruhnejo iz vzorca tricija - radioaktivne oblike vodika. z enim protonom in dvema nevtronoma v vsakem atomu. Tritij je nestabilen, njegovi nevtroni pa razpadajo v elektro-nevtrinske pare. KATRIN išče elektrone in ne nevtrine, ker so nevtrini preveč slabi, da bi jih lahko natančno izmerili. Po besedah Hamisha Robertsona, znanstvenika iz KATRIN-a in univerze v Washingtonu, stroj uporablja tritijev plin, saj je edini vir elektronov-nevtrinov, ki je dovolj preprost, da lahko iz njega dobimo dobro meritev mase.
Neutrinov je bolj ali manj nemogoče natančno izmeriti sami, saj imajo tako malo mase in ponavadi preskočijo iz detektorjev, ne da bi z njimi komunicirali. Da bi ugotovil maso nevtrinov, je Robertson povedal Live Science, KATRIN šteje najbolj energične elektrone in deluje od tega števila nazaj, da sklepa nevtino maso. Objavljeni so bili prvi rezultati KATRIN-a, raziskovalci pa so prišli do zgodnjega zaključka: Nevtrini imajo maso, ki ni višja od 1,1 voltov elektronov (eV).
Elektronski volti so enote mase in energije, ki jih fiziki uporabljajo, ko govorijo o najmanjših stvareh v vesolju. (Na lestvici temeljnih delcev se energija in masa merita z istimi enotami, nevtrino-elektronski pari pa morajo imeti kombinirane ravni energije, enakovredne njihovemu izvornemu nevtronu.) Higgsov bozon, ki drugim delcem posoja njihovo maso, ima masa 125 milijard EV. Protoni, delci v središču atomov, imajo maso približno 938 milijonov eV. Elektroni so le 510.000 eV. Ta poskus potrjuje, da so nevtrini neverjetno drobni.
KATRIN je zelo velik stroj, vendar so njegove metode preproste, je dejal Robertson. Prva komora naprave je polna plinastega tritija, katerega nevtroni naravno razpadajo v elektrone in nevtrine. Fiziki že vedo, koliko energije sodeluje, ko nevtron razpade. Del energije se pretvori v maso nevtrina in maso elektrona. Preostanek pa se vlije v na novo ustvarjene delce, ki zelo grobo narekujejo, kako hitro gredo. Običajno se ta dodatna energija porazdeli precej enakomerno med elektron in nevtrino. Včasih pa se večina ali vsa preostala energija vrže v en ali drug delček.
V tem primeru se vsa energija, ki ostane po tvorbi nevtrina in elektrona, odvrže v partnerja elektronov in tvori super visokoenergijski elektron, je dejal Robertson. To pomeni, da se lahko izračuna masa nevtrina: To je energija, ki je vključena v razpadanje nevtronov, zmanjšana za maso elektrona in največjo energijsko raven elektronov v poskusu.
Fiziki, ki so zasnovali eksperiment, niso poskušali izmeriti nevtrinov; tistim, ki lahko pustijo stroj neokrnjen. Namesto tega poskus spelje elektrone v velikansko vakuumsko komoro, imenovano spektrometer. Električni tok nato ustvari zelo močno magnetno polje, skozi katerega lahko prehajajo samo najvišjeenergijski elektroni. Na drugem koncu te komore je naprava, ki šteje, koliko elektronov opravi skozi polje. Ko KATRIN počasi povečuje jakost magnetnega polja, je dejal Robertson, število elektronov, ki se prebijejo skozi krčenje, skoraj tako, kot da bi zbledelo vse do nič. Toda na koncu tega spektra ravni elektronov se zgodi nekaj.
"Spekter nenadoma umre, preden dosežete končno točko, ker mase nevtrina elektron ne more ukrasti. Vedno ga je treba pustiti za nevtrino," je dejal Robertson. Masa nevtrina mora biti manjša od tiste drobne količine energije, ki jo manjka na samem koncu spektra. In po nekaj tednih izvajanja so eksperimentalci to število zmanjšali na približno polovico števila, za katerega so fiziki prej vedeli.
Ideja, da imajo nevtrini sploh maso, je revolucionarna; Robertson je poudaril, da je standardni model, teorija fizike osnove, ki opisuje subatomski svet, nekoč vztrajal, da nevtrini nimajo nobene mase. Že v osemdesetih letih so ruski in ameriški raziskovalci poskušali izmeriti nevtrino mase, vendar so bili njihovi rezultati problematični in nenatančni. V nekem trenutku so ruski raziskovalci maso nevtrina nataknili natančno na 30 eV - lepo število, ki bi razkrilo nevtrine kot manjkajočo povezavo, ki bi razložilo veliko gravitacijsko strukturo vesolja in zapolnilo vso manjkajočo maso - vendar eno to se je izkazalo napačno.
Robertson in njegovi sodelavci so najprej začeli sodelovati s plinastim tritijem, potem ko so ugotovili, da šibka radioaktivna snov ponuja najbolj natančen vir razpada nevtronov, ki je na voljo znanosti.
"To je bilo dolgo iskanje," je dejal Robertson. "Ruska meritev 30 eV je bila zelo vznemirljiva, ker bi vesolje gravitacijsko zaprlo vesolje. Zaradi tega je še vedno navdušujoče. Nevtrini igrajo veliko vlogo v kozmologiji in so verjetno oblikovali strukturo vesolja velikega obsega."
Vsi ti šibki delci letijo okoli vlačilca na vse drugo s svojo težo in jemljejo in izposojajo energijo iz vseh drugih snovi. Čeprav se množično število zmanjšuje, je dejal Robertson, natančna vloga teh majhnih delcev se zaplete.
Število 1,1 eV, je dejal raziskovalec, je zanimivo, ker je prvo eksperimentalno pridobljeno nevtrinsko masno število, ki ni dovolj visoko, da bi sam razložilo strukturo preostalega vesolja.
"Obstaja ta materija, o kateri še ne vemo. Obstaja ta temna snov," in ne more biti sestavljena iz nevtrinov, o katerih vemo, je dejal.
Tako majhno število iz velike vakuumske komore v Nemčiji vsaj dodaja kup dokazov, da ima vesolje elemente, ki jih fizika še vedno ne razume.
