Fysiker vet inte massan av en neutrino, men nu vet de att den inte är större än 1 elektronvolt
De Standardmodell för partikelfysik är en av vetenskapens mest imponerande bedrifter. Det är ett noggrant, exakt försök att förstå och beskriva tre av de fyra grundläggande krafter av universum: den elektromagnetiska kraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. Tyngdkraften är frånvarande eftersom det hittills har varit extremt utmanande att passa in den i standardmodellen.
Men det finns några hål i standardmodellen, och ett av dem involverar massan av neutrinon.
Existensen av neutrinon föreslogs först 1930, sedan upptäcktes 1956. Sedan dess har fysiker lärt sig att det finns tre typer av neutrinos, och de är rikliga och svårfångade. Endast speciella anläggningar kan upptäcka dem eftersom de sällan interagerar med annan materia. Det finns flera källor för dem, och några av dem har glidit genom rymden sedan Big Bang, men de flesta neutrinerna nära jorden kommer från solen.
Standardmodellen förutspår att neutriner inte har någon massa, som fotoner. Men fysiker har funnit att de tre typerna av neutriner kan förvandlas till varandra när de rör sig. Enligt fysiker borde de bara kunna göra det om de har massa.
Standardmodellen av elementarpartiklar. Bild: Av MissMJ – Eget arbete av uppladdare, PBS NOVA [1], Fermilab, Office of Science, United States Department of Energy, Particle Data Group, CC BY 3.0
Men hur mycket massa? Det är en fråga som har förföljt partikelfysiker. Och att svara på den frågan är en del av det som driver forskare vid KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
Den 10 meter högupplösta spektrometern i hjärtat av KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Bildkredit: KATRIN Collaboration.
'Dessa fynd från KATRIN-samarbetet minskar det tidigare massintervallet för neutrinon med en faktor två...'
HAMISH ROBERTSON, KATRIN VETENSKAP OCH PROFESSOR EMERITUS I FYSIK VID UNIVERSITET I WASHINGTON.
Ett team av forskare har kommit med en del av svaret på det: neutrinons massa kan inte vara större än 1,1 elektronvolt (eV.) Detta är en minskning av den övre gränsen för en neutrinos massa med nästan 1 eV; från 2 eV ner till 1,1 eV. Genom att bygga på tidigare experiment som satte den nedre massagränsen till 0,02 eV, har dessa forskare satt ett nytt intervall för neutrinons massa. Den visar att en neutrino har mindre än 1/500 000 av en elektrons massa. Detta är ett viktigt steg i utvecklingen av standardmodellen.
'Att känna till neutrinons massa kommer att göra det möjligt för forskare att svara på grundläggande frågor inom kosmologi, astrofysik och partikelfysik ...'
Hamish Robertson, KATRIN-forskare och professor emeritus i fysik vid University of Washington.
Forskarna bakom detta arbete kommer från 20 olika forskningsinstitutioner runt om i världen. de arbetar med KATRIN vid Karlsruhes tekniska högskola i Tyskland. KATRIN-anläggningen har en 10 meter högupplöst spektrometer som gör att den kan mäta elektronenergier med stor precision.
KATRIN-instrumentet har en högupplöst spektrometer som gör att det kan mäta elektronvolt med extrem precision. Detta diagram visar layouten och de viktigaste egenskaperna hos experimentanläggningen KATRIN vid Karlsruhes tekniska högskola. Bildkredit: Karlsruhe Institute of Technology
KATRIN-teamet presenterade sina resultat på 2019 ämnen i astropartikel- och underjordisk fysik konferens i Toyama, Japan, den 13 september.
'Att känna till neutrinons massa kommer att göra det möjligt för forskare att svara på grundläggande frågor inom kosmologi, astrofysik och partikelfysik, som hur universum utvecklades eller vilken fysik som existerar bortom standardmodellen', säger Hamish Robertson, en KATRIN-forskare och professor emeritus i fysik. vid University of Washington. 'Dessa fynd från KATRIN-samarbetet minskar det tidigare massintervallet för neutrinon med en faktor två, sätter strängare kriterier på vad neutrinons massa faktiskt är och ger en väg framåt för att definitivt mäta dess värde.'
Neutrinos är notoriskt svåra att upptäcka, även om de är rikliga. Endast fotoner är rikligare. Som deras namn säger, de är elektriskt neutrala. Detta gör det extremt svårt att upptäcka dem. Det finns neutrinobservatorier sänkta djupt i Antarktis is, och även djupt i övergivna gruvor. De använder ofta tungt vatten för att locka neutrinerna att interagera. När en neutrino interagerar producerar den Cherenkov strålning som går att mäta.
Neutrinos är nästan omöjliga att upptäcka. Ett neutrinobservatorium, kallat IceCube Neutrino Laboratory, ) försöker upptäcka dem genom att sänka strängar av detektorer djupt ner i den kalla, mörka, antarktiska isen, där den försöker observera de sällsynta gånger när neutriner interagerar med annan materia. Den här bilden visar en visuell representation av en av neutrinodetekteringarna med högsta energi överlagrad på en vy av IceCube Lab på Sydpolen. Kredit: IceCube Collaboration.
'Om du fyllde solsystemet med bly ut till femtio gånger bortom Plutos omloppsbana, skulle ungefär hälften av de neutriner som sänds ut av solen fortfarande lämna solsystemet utan att interagera med det blyet,' sa Robertson.
Neutrinons historia har utvecklats över tiden med experiment som KATRIN. Ursprungligen förutspådde standardmodellen att neutriner inte skulle ha någon massa. Men 2001 visade två olika detektorer att deras massa inte är noll. 2015 års Nobelpris i fysik tilldelades två forskare som visade att neutriner kan pendla mellan typer, vilket visar att de har massa.
KATRIN-anläggningen mäter massan av neutriner indirekt. Det fungerar genom att övervaka sönderfallet av tritium, som är en mycket radioaktiv form av väte. När tritiumisotopen sönderfaller, avger den par av partiklar: en elektron och en antineutrino. Tillsammans delar de på 18 560 eV energi.
Den kontrollanta blåa glöden från Cherenkov-strålningen från Advanced Test Reactor i Idaho. Bildkredit: Av Argonne National Laboratory – ursprungligen publicerad på Flickr som Advanced Test Reactor core, Idaho National Laboratory Uppladdad med F2ComButton, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=27024528
I de flesta fall delar partikelparet lika på 18 560 eV. Men i sällsynta fall tar elektronen upp det mesta av energin och lämnar neutrinon med väldigt lite. Dessa sällsynta fall är vad forskarna fokuserar på.
På grund av E=mC2 måste den lilla mängd energi som finns kvar för neutrinon i dessa sällsynta fall också vara lika med dess massa. Eftersom KATRIN har förmågan att mäta elektronen exakt, kan den också bestämma neutrinons massa.
'Att lösa massan av neutrinon skulle leda oss in i en modig ny värld för att skapa en ny standardmodell', säger Peter Doe, en forskningsprofessor i fysik från University of Washington som arbetar på KATRIN.
Denna nya standardmodell som Doe nämner kan ha potential att redogöra för mörk materia, som utgör det mesta av materien i universum. Ansträngningar som KATRIN kan en dag upptäcka en annan, fjärde typ av neutrino som kallas den sterila neutrinon. Än så länge är denna fjärde typ bara gissningar, men den är en kandidat för mörk materia.
En datorsimulering av materiens fördelning i universum. Orange regioner värd galaxer; blå strukturer är gas och mörk materia. Det är möjligt att det finns en fjärde typ av oupptäckt neutrino som kallas en steril neutrino som kan tänkas stå för all mörk materia i universum. Kredit: TNG Collaboration
'Neutrinos är konstiga små partiklar,' sa Doe. 'De är så allestädes närvarande, och det finns så mycket vi kan lära oss när vi väl har bestämt detta värde.'
Att visa att neutriner har massa, och att begränsa intervallet för den massan, är båda viktiga. Men partikelfysiker vet fortfarande inte hur de får sin massa. Det är förmodligen annorlunda än hur andra partiklar får sina.
Resultat som detta från KATRIN hjälper till att täppa till ett hål i standardmodellen och i vår övergripande förståelse av universum. Universum är fullt av uråldriga neutriner från Big Bang, och varje framsteg i neutrinons massa hjälper oss att förstå hur universum bildades och utvecklades.
Mer:
- Pressmeddelande: KATRIN halverar massuppskattningen för den svårfångade neutrinon
- Karlsruhe Tekniska Högskola: KATRIN
- CERN: Standardmodellen
- Symmetry Magazine: Fem mysterier som standardmodellen inte kan förklara
- MIT nyheter: 3Q: Forskare halverar uppskattningen av neutrinons massa