Hiukkasfysiikan vakiomalli on yksi tieteen vaikuttavimmista piirteistä. Se on tiukka, tarkka yritys ymmärtää ja kuvata kolme maailmankaikkeuden neljästä perusvoimasta: sähkömagneettinen voima, voimakas ydinvoima ja heikko ydinvoima. Painovoima puuttuu, koska sen sovittaminen standardimalliin on toistaiseksi ollut erittäin haastavaa.
Mutta vakiomallissa on joitain reikiä, ja yksi niistä sisältää neutriinon massan.
Neutriinon olemassaoloa ehdotettiin ensin vuonna 1930, sitten havaittiin vuonna 1956. Sittemmin fyysikot ovat oppineet, että neutriinoja on kolmen tyyppisiä, ja niitä on runsaasti ja vaikeasti saatavissa. Vain erityiset tilat voivat havaita ne, koska ne ovat harvoin vuorovaikutuksessa muiden aineiden kanssa. Heille on useita lähteitä, ja jotkut heistä ovat vetäneet avaruuden läpi Ison räjähdyksen jälkeen, mutta suurin osa maapallon lähellä olevista neutriinoista tulee auringosta.
Vakiomalli ennustaa, että neutriinoilla ei ole massaa, kuten fotoneilla. Mutta fyysikot ovat havainneet, että kolmen tyyppiset neutriinot voivat muuttua toisikseen liikkuessaan. Fyysikoiden mukaan heidän pitäisi pystyä tekemään se vain, jos heillä on massa.
Mutta kuinka paljon massaa? Se on kysymys, joka on pitänyt kiinni hiukkasfyysikoista. Ja tähän kysymykseen vastaaminen on osa sitä, mikä ajaa KATRINin tutkijoita (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Nämä KATRIN-yhteistyön tulokset vähentävät neutriinin aikaisempaa massaaluetta kahdella kertoimella ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN-TIETEENÄJÄ JA FYSIIKAN AMMATTIKIRJA WASHINGTONIN YLIOPISTOON.
Joukko tutkijaryhmiä on keksinyt osan vastauksesta tähän: neutriinon massa ei saa olla suurempi kuin 1,1 elektronvolttia (eV.). Tämä on neutriinon massan ylärajan pieneneminen lähes yhdellä eV: lla; 2 eV: stä 1,1 eV: iin. Perustuen aiempiin kokeisiin, joissa alaraja-arvoksi asetettiin 0,02 eV, nämä tutkijat ovat asettaneet uuden alueen neutriinomassalle. Se osoittaa, että neutriinoilla on vähemmän kuin 1/500 000: aa elektronin massaa. Tämä on tärkeä askel vakiomallin etenemisessä.
"Neutriinin massan tunteminen antaa tutkijoille mahdollisuuden vastata kosmologian, astrofysiikan ja hiukkasfysiikan peruskysymyksiin ..."
Hamish Robertson, KATRIN-tutkija ja fysiikan emeritusprofessori Washingtonin yliopistossa.
Tämän työn taustalla olevat tutkijat tulevat 20 eri tutkimuslaitoksesta ympäri maailmaa. He työskentelevät KATRINin kanssa Karlsruhen teknillisessä instituutissa Saksassa. KATRIN-laitteessa on 10 metrin korkearesoluutioinen spektrometri, jonka avulla se voi mitata elektronien energioita erittäin tarkasti.
KATRIN-tiimi esitteli tuloksensa 2019. Aiheita astropartikkeleita ja maanalaista fysiikkaa käsittelevässä konferenssissa Toyamassa, Japanissa, 13. syyskuuta.
"Neutriinin massan tunteminen antaa tutkijoille mahdollisuuden vastata kosmologian, astrofysiikan ja hiukkasfysiikan peruskysymyksiin, kuten miten maailmankaikkeus kehittyi tai mitä fysiikkaa on olemassa standardimallin ulkopuolella", kertoi KATRIN-tutkija ja fysiikan emeritusprofessori Hamish Robertson. Washingtonin yliopistossa. "Nämä KATRIN-yhteistyön tulokset vähentävät neutriinin aikaisempaa massaaluetta kertoimella kahdella, asettavat tiukemmat kriteerit sen suhteen, mikä neutriinon massa tosiasiallisesti on, ja tarjoavat reitin eteenpäin mittaamaan sen arvon lopullisesti."
Neutrinoita on tunnetusti vaikea havaita, vaikka niitäkin on runsaasti. Vain fotonit ovat runsaampia. Kuten heidän nimensä sanoo, he ovat sähköisesti neutraaleja. Tämä tekee heidän tunnistamisesta erittäin vaikeaa. On neutrino-observatorioita, jotka on upotettu syvälle Etelämantereen jäähän ja myös syvälle hylättyihin miinoihin. He käyttävät usein raskasta vettä houkuttelemaan neutriinoja vuorovaikutukseen. Kun neutriino vuorovaikutuksessa, se tuottaa Cherenkov-säteilyä, joka voidaan mitata.
"Jos täyttäisit aurinkojärjestelmän viidelläkymmenellä kertaa Pluton kiertoradan ulkopuolella, noin puolet auringon lähettämistä neutriinoista poistuisi silti aurinkokunnasta toimimatta tuon lyijyn kanssa", Robertson sanoi.
Neutriinin historia on kehittynyt ajan myötä kokeilujen, kuten KATRIN, kanssa. Alun perin Standardimallissa ennustetulla neutriinoilla ei olisi massaa. Mutta vuonna 2001 kaksi erilaista ilmaisinta osoitti, että niiden massa ei ole nolla. Vuoden 2015 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin kahdelle tutkijalle, jotka osoittivat, että neutriinot voivat värähtellä tyyppien välillä osoittaen, että niillä on massa.
KATRIN-laitos mittaa neutriinojen massaa epäsuorasti. Se toimii seuraamalla tritiumin, joka on erittäin radioaktiivinen vetymuoto, hajoamista. Kun tritium-isotooppi hajoaa, se säteilee paria hiukkasia: elektroni ja anti-neutriino. Yhdessä he jakavat 18 560 eV: n energiaa.
Useimmissa tapauksissa hiukkasparit jakavat 18 560 eV: n tasapuolisesti. Mutta harvoissa tapauksissa elektronit huimaavat suurimman osan energiasta, jättäen neutriinoa hyvin vähän. Tutkijat ovat keskittyneet näihin harvinaisiin tapauksiin.
Koska E = mC2, pienen määrän energiaa, joka jää neutrinoon näissä harvinaisissa tapauksissa, on myös oltava yhtä suuri kuin sen massa. Koska KATRINilla on valta mitata elektroni tarkasti, se pystyy myös määrittämään neutriinin massan.
"Neutriinon massan ratkaiseminen johtaisi meitä rohkeaseen uuteen maailmaan luomalla uusi standardimalli", kertoi Washington Dovan fysiikan tutkimusprofessori Peter Doe KATRIN-tutkimuksesta.
Tällä uudella Doe: n mainitsemalla standardimallilla voi olla mahdollisuus ottaa huomioon pimeä aine, joka muodostaa suurimman osan maailmankaikkeuden aineesta. KATRINin kaltaiset ponnistelut voivat havaita jonain päivänä toisen, neljännen tyypin neutriinoa, nimeltään steriili neutriino. Toistaiseksi tämä neljäs tyyppi on vain arvailua, mutta se on ehdokas pimeälle aineelle.
"Neutriinot ovat outoja pienhiukkasia", sanoi Doe. "Ne ovat niin kaikkialla läsnä olevia ja siellä on niin paljon, mitä voimme oppia määritettäessämme tämän arvon."
Osoittaminen, että neutriinoilla on massa, ja sen rajoittaminen, ovat molemmat tärkeitä. Mutta hiukkasfyysikot eivät vieläkään tiedä kuinka he saavat massansa. Se luultavasti eroaa siitä, kuinka muut hiukkaset saavat omat.
Tämän tyyppiset KATRIN-tulokset auttavat sulkemaan aukon standardimallissa ja maailmankaikkeuden ymmärtämisessämme. Maailmankaikkeus on täynnä muinaisia neutrinoita isoista räjähdyksistä, ja jokainen eteneminen neutriinojen massaan auttaa meitä ymmärtämään kuinka maailmankaikkeus muodostui ja kehittyi.
Lisää:
- Lehdistötiedote: KATRIN leikkaa vaikeasti saavutettavan neutriinon massaarvio puoliksi
- Karlsruhen teknillinen instituutti: KATRIN
- CERN: Vakiomalli
- Symmetry Magazine: Viisi salaperäistä mallia ei osaa selittää
- MIT-uutiset: 3Q: Tutkijat ajeltavat arviot neutriinon massasta puoliksi
