En stor elektronisk tellende maskin har indirekte funnet en måling av den tøffeste kjente partikkelen i fysikk - og lagt til bevisene for mørk materie.
Den målingen er det første resultatet fra et internasjonalt forsøk på å måle massen av nøytrinoer - partikler som fyller universet vårt og bestemmer dets struktur, men som vi knapt er i stand til å oppdage i det hele tatt. Ifølge det tysk-baserte Karlsruhe Tritium Neutrino-eksperimentet (KATRIN) har Neutrinos ikke mer enn 0,0002% massen til et elektron. Dette tallet er så lavt at selv om vi oppsummerte alle nøytrinoene i universet, kunne de ikke forklare dens manglende masse. Og det faktum legger til bunken med bevis for mørk materies eksistens.
KATRIN er i utgangspunktet en veldig stor maskin for å telle superhøyeenergi-elektronene som sprenger ut av en prøve av tritium - en radioaktiv form for hydrogen. med ett proton og to nøytroner i hvert atom. Tritium er ustabil, og nøytronene avtar til elektron-nøytrino par. KATRIN ser etter elektronene og ikke nøytrinoene fordi nøytrinoene er for svake til å måle nøyaktig. Og maskinen bruker tritiumgass, ifølge Hamish Robertson, en forsker og professor emeritus fra KATRIN ved University of Washington, fordi det er den eneste elektron-nøytrino-kilden som er enkel nok til å få en god massemåling fra.
Nøytrinoer er mer eller mindre umulige å måle på egenhånd fordi de har så liten masse og har en tendens til å hoppe ut av detektorene uten å samhandle med dem. Så for å finne ut mengden av nøytrinoene, fortalte Robertson til Live Science, teller KATRIN de mest energiske elektronene og jobber bakover fra det tallet for å utlede nøytrinoens masse. De første resultatene fra KATRIN er kunngjort, og forskerne kom til en tidlig konklusjon: Neutrinos har en masse som ikke er høyere enn 1,1 elektronvolt (eV).
Elektron volt er enhetene til masse- og energifysikere bruker når de snakker om de minste tingene i universet. (I målestokken for grunnleggende partikkel måles energi og masse ved hjelp av de samme enhetene, og nøytrinoelektronparene må ha kombinerte energinivåer som tilsvarer deres kilderneutron.) Higgs boson, som gir andre partikler deres masse, har en masse på 125 milliarder EV. Protoner, partiklene i sentrum av atomer, har masser på rundt 938 millioner eV. Elektroner er bare 510 000 eV. Dette eksperimentet bekrefter at nøytrinoer er utrolig bittesmå.
KATRIN er en veldig stor maskin, men metodene er enkle, sa Robertson. Enhetens første kammer er fullt av gassformig tritium, hvis nøytroner naturlig bryter ned til elektroner og nøytrinoer. Fysikere vet allerede hvor mye energi som er involvert når et nøytron forfaller. Noe av energien blir konvertert til massen til nøytrinoen og massen til elektronet. Og resten helles i de nyopprettede partiklene, og dikterer veldig grovt hvor fort de går. Vanligvis blir den ekstra energien fordelt ganske jevnt mellom elektron og nøytrino. Men noen ganger blir det meste eller hele den gjenværende energien dumpet i en eller annen partikkel.
I så fall blir all energi som blir igjen etter at neutrino og elektron er dannet, dumpet ned i elektronpartneren, og danner et super-høyt energi-elektron, sa Robertson. Det betyr at massen til nøytrinoen kan beregnes: Det er energien som er involvert i nøytronforfallet minus elektronens masse og det maksimale energinivået for elektroner i eksperimentet.
Fysikerne som designet eksperimentet prøvde ikke å måle nøytrinoene; de får unnslippe å rømme maskinen. I stedet trakter eksperimentet elektronene inn i et gigantisk vakuumkammer, kalt spektrometeret. En elektrisk strøm skaper da et veldig sterkt magnetfelt som bare elektronene med høyeste energi kan passere gjennom. I den andre enden av kammeret er det en enhet som teller hvor mange elektroner som kommer gjennom feltet. Når KATRIN sakte øker styrken av magnetfeltet, sa Robertson, krymper antallet elektroner som kommer gjennom - nesten som om det skulle visne helt til null. Men helt på slutten av det spektret av elektronenerginivåer, skjer det noe.
"Spekteret dør plutselig, før du når sluttpunktet, fordi massen til nøytrinoen ikke kan bli stjålet av elektronet. Det må alltid legges igjen for nøytrinoene," sa Robertson. Massen til nøytrinoen må være mindre enn den lille mengden energi som mangler helt fra enden av spekteret. Og etter flere ukers kjøretid, forsøkte eksperimentene å redusere tallet til omtrent halvparten av antallet fysikere tidligere visste om.
Tanken på at nøytrinoer i det hele tatt har masse er revolusjonerende; Standardmodellen, den grunnleggende fysikkteorien som beskriver den subatomære verdenen, en gang insisterte på at nøytrinoer ikke har noen masse i det hele tatt, påpekte Robertson. Så langt tilbake som på 1980-tallet prøvde russiske og amerikanske forskere å måle nøytrino-masser, men resultatene av dem var problematiske og upresise. På et tidspunkt festet russiske forskere massen til nøytrinoen på nøyaktig 30 eV - et fint antall som ville ha avslørt nøytrinoer som den manglende koblingen som ville ha forklart universets store gravitasjonsstruktur og fylt ut all den manglende massen - men en det viste seg å være feil.
Robertson og kollegene begynte først å jobbe med gassformig tritium den gang, etter at de innså at det svakt radioaktive stoffet tilbød den mest presise kilden til nøytronforfall tilgjengelig for vitenskapen.
"Dette har vært et langt søk," sa Robertson. "Den russiske målingen av 30 eV var veldig spennende fordi den ville ha stengt universet på tyngdekraften. Og det er fremdeles spennende av den grunn. Neutrinoer spiller en stor rolle i kosmologien, og de har sannsynligvis formet universets storskala struktur."
Alle de svake partiklene som flyr rundt, trekker på alt annet med tyngdekraften, og tar og låner ut energi fra all den andre saken. Selv om massetallet blir kvittet, sa Robertson, blir den nøyaktige rollen disse små partiklene spiller mer komplisert.
1.1 eV-tallet, sa forskeren, er interessant fordi det er det første eksperimentelt avledede nøytrino-massetallet som ikke er høyt nok til å forklare strukturen i resten av universet på egen hånd.
"Det er materie som ikke er noe vi vet om ennå. Det er denne mørke saken," og den kan ikke lages av nøytrinoene som vi vet om, sa han.
Så dette lille antallet fra et stort vakuumkammer i Tyskland legger i det minste til bunken med bevis på at universet har elementer som fysikk fremdeles ikke forstår.
