Standardmodellen for partikkelfysikk er en av vitenskapens mest imponerende brikker. Det er en streng, presis innsats for å forstå og beskrive tre av de fire grunnleggende kreftene i universet: den elektromagnetiske kraften, den sterke atomkraften og den svake atomkraften. Tyngdekraften er fraværende fordi det så langt har vært ekstremt utfordrende å montere den i standardmodellen.
Men det er noen hull i standardmodellen, og ett av dem innebærer massen til nøytrinoen.
Eksistensen av nøytrino ble først foreslått i 1930, deretter oppdaget i 1956. Siden den gang har fysikere lært at det er tre typer nøytrinoer, og de er rikelig og unnvikende. Bare spesielle fasiliteter kan oppdage dem fordi de sjelden samhandler med annen materie. Det er flere kilder for dem, og noen av dem har glipt gjennom verdensrommet siden Big Bang, men de fleste nøytrinoene i nærheten av Jorden kommer fra solen.
Standardmodellen spår at nøytrinoer ikke har noen masse, som fotoner. Men fysikere har funnet ut at de tre typene nøytrinoer kan forvandle seg til hverandre når de beveger seg. I følge fysikere skal de bare kunne gjøre det hvis de har masse.
Men hvor mye masse? Det er et spørsmål som har vært partikkelfysikere. Og å svare på dette spørsmålet er en del av det som driver forskere ved KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Disse funnene fra KATRIN-samarbeidet reduserer det forrige masseområdet for nøytrinoen med en faktor på to ..."
HAMISK ROBERTSON, KATRIN SCIENTIST AND PROFESSOR EMERITUS OF FYSICS AT UNIVERSITY OF WASHINGTON.
Et team av forskere har kommet med en del av et svar på det: massen til nøytrinoen kan ikke være større enn 1,1 elektronvolt (eV.) Dette er en reduksjon av den øvre grensen for en nøytrino-masse med nesten 1 eV; fra 2 eV ned til 1,1 eV. Ved å bygge videre på tidligere eksperimenter som setter den nedre massegrensen til 0,02 eV, har disse forskerne satt et nytt område for nøytrinoens masse. Det viser at en nøytrino har mindre enn 1/500 000. masse av et elektron. Dette er et viktig skritt i fremme av standardmodellen.
"Å kjenne til nøytrinoens masse vil tillate forskere å svare på grunnleggende spørsmål innen kosmologi, astrofysikk og partikkelfysikk ..."
Hamish Robertson, KATRIN-vitenskapsmann og professor emeritus i fysikk ved University of Washington.
Forskerne bak dette arbeidet kommer fra 20 forskjellige forskningsinstitusjoner rundt om i verden. De jobber med KATRIN ved Karlsruhe teknologiske institutt i Tyskland. KATRIN-anlegget har et 10 meter høyt oppløsningsspektrometer som gjør det mulig å måle elektronenheter med stor presisjon.
KATRIN-teamet presenterte resultatene sine på konferansen Theme in Astroparticle and Underground Physics i Toyama, Japan, 13. september.
"Å kjenne til nøytrinoens masse vil tillate forskere å svare på grunnleggende spørsmål innen kosmologi, astrofysikk og partikkelfysikk, for eksempel hvordan universet utviklet seg eller hvilken fysikk som eksisterer utover standardmodellen," sier Hamish Robertson, en KATRIN-vitenskapsmann og professor emeritus i fysikk. ved University of Washington. "Disse funnene fra KATRIN-samarbeidet reduserer det forrige masseområdet for nøytrinoen med en faktor på to, plasserer strengere kriterier for hva nøytrinoens masse faktisk er, og gir en vei videre for å måle verdien definitivt."
Neutrino er notorisk vanskelig å oppdage, selv om de er rikelig. Bare fotoner er rikelig. Som navnet sier, de er elektrisk nøytrale. Dette gjør det veldig vanskelig å oppdage dem. Det er nøytrinoobservatorier som er sunket dypt i den antarktiske isen, og også dypt i forlatte miner. De bruker ofte tungt vann for å lokke nøytrinoene til å samhandle. Når en nøytrino samhandler, produserer den Cherenkov-stråling som kan måles.
"Hvis du fylte solsystemet med bly ut til femti ganger utover banen til Pluto, ville omtrent halvparten av nøytrinoene som solen slipper ut, fortsatt forlate solsystemet uten å samhandle med det blyet," sa Robertson.
Neutrinoens historie har utviklet seg over tid med eksperimenter som KATRIN. Opprinnelig forutslo Standardmodellen at nøytrinoer ikke ville ha noen masse. Men i 2001 viste to forskjellige detektorer at massen deres er ikke-null. Nobelprisen i fysikk 2015 ble tildelt to forskere som viste at nøytrinoer kan svinge mellom forskjellige typer, og viser at de har masse.
KATRIN-anlegget måler massen av nøytrinoer indirekte. Det fungerer ved å overvåke forfallet av tritium, som er en sterkt radioaktiv form for hydrogen. Når tritiumisotopen avtar, avgir den parpartikler: et elektron og en anti-neutrino. Til sammen deler de 18.560 eV energi.
I de fleste tilfeller deler parpartiklene 18.560 eV likt. Men i sjeldne tilfeller tapper elektronet mesteparten av energien, og etterlater nøytrinoen veldig lite. Disse sjeldne tilfellene er det forskerne fokuserer på.
På grunn av E = mC2, må den lille mengden energi som er igjen til nøytrinoen i disse sjeldne tilfellene også være lik dens masse. Fordi KATRIN har makten til å måle elektronet nøyaktig, er det også i stand til å bestemme nøytrinoens masse.
"Å løse mengden av nøytrino vil føre oss inn i en modig ny verden med å skape en ny standardmodell," sa Peter Doe, en forskerprofessor i fysikk fra University of Washington som jobber på KATRIN.
Denne nye standardmodellen som Doe nevner, kan ha potensial til å redegjøre for mørk materie, som utgjør det meste av saken i universet. Innsats som KATRIN kan en dag oppdage en annen, fjerde type neutrino som kalles steril neutrino. Så langt er denne fjerde typen bare formodning, men den er en kandidat for mørk materie.
"Neutrino er rare rare partikler," sa Doe. "De er så allestedsnærværende, og det er så mye vi kan lære når vi bestemmer denne verdien."
Å vise at nøytrinoer har masse, og å begrense rekkevidden til den massen, er begge viktige. Men partikkelfysikere vet fremdeles ikke hvordan de får massen sin. Det er sannsynligvis annerledes enn hvordan andre partikler får deres.
Resultater som dette fra KATRIN hjelper til med å lukke et hull i standardmodellen, og i vår generelle forståelse av universet. Universet er fullt av eldgamle nøytrinoer fra Big Bang, og alle fremskritt i massen til nøytrinoen hjelper oss å forstå hvordan universet dannet og utviklet seg.
Mer:
- Pressemelding: KATRIN kutter massestimatet for den unnvikende nøytrinoen til halvparten
- Karlsruhe teknologiske institutt: KATRIN
- CERN: Standardmodellen
- Symmetry Magazine: Fem mysterier som standardmodellen ikke kan forklare
- MIT-nyheter: 3Q: Forskere barberer estimatet for nøytrino-massen i to
