Iso, elektroninlaskenta-kone on epäsuorasti tehnyt mittauksen fysiikan liukkaimmalle tunnetulle hiukkaselle - ja lisännyt todisteita tummasta aineesta.
Tämä mittaus on ensimmäinen tulos kansainvälisestä pyrkimyksestä mitata neutriinojen massa - hiukkaset, jotka täyttävät maailmankaikkeuden ja määrittävät sen rakenteen, mutta joita emme tuskin pysty havaitsemaan. Saksalaisen Karlsruhe Tritium Neutrino -kokeen (KATRIN) mukaan neutrinoilla ei ole enempää kuin 0,0002% elektronin massaa. Tämä luku on niin pieni, että vaikka mekin kaataisimme kaikki universumin neutriinot, ne eivät pystyneet selittämään sen puuttuvaa massaa. Ja tämä tosiseikka lisää todistekasan tumman aineen olemassaolosta.
KATRIN on periaatteessa erittäin iso kone erittäin korkean energian elektronien laskemiseen, jotka purskahtavat tritiumin näytteestä - vedyn radioaktiivisesta muodosta. joissa on yksi protoni ja kaksi neutronia kussakin atomissa. Tritium on epävakaa, ja sen neutronit hajoavat elektroni-neutriino-pareiksi. KATRIN etsii elektroneja eikä neutriinoja, koska neutriinot ovat liian heikot tarkan mittaamiseksi. Ja KATRIN-tutkijan ja Washingtonin yliopiston emeritusprofessorin Hamish Robertsonin mukaan kone käyttää tritiumkaasua, koska se on ainoa riittävän yksinkertainen elektronineutronolähde, josta saadaan hyvä massamittaus.
Neutriinoja on enemmän tai vähemmän mahdotonta mitata tarkasti yksin, koska niillä on niin vähän massaa ja niillä on taipumus hypätä ilmaisimiin tekemättä heidän kanssaan vuorovaikutusta. Joten selvittääkseen neutriinojen massan, Robertson kertoi Live Science: lle, KATRIN laskee energeettisimmat elektronit ja työskentelee taaksepäin siitä määrästä päästäkseen neutriinojen massaan. KATRINin ensimmäiset tulokset on ilmoitettu, ja tutkijat päättivät varhaiseen johtopäätökseen: Neutrinoiden massa ei ole korkeampi kuin 1,1 elektronvolttia (eV).
Elektroni volttia ovat fysiikan käyttämiä massa- ja energiayksiköitä puhuttaessa maailmankaikkeuden pienimmistä asioista. (Perushiukkasten asteikolla energia ja massa mitataan samoilla yksiköillä, ja neutriinoelektroni-pareilla on oltava yhdistetyt energiatasot, jotka vastaavat lähtölähdeneutroniaansa.) Higgs-bosonilla, joka lainaa muille hiukkasille niiden massan, on massa 125 miljardia EV. Protonien, atomien keskellä olevien hiukkasten, massat ovat noin 938 miljoonaa eV. Elektronit ovat vain 510 000 eV. Tämä kokeilu vahvistaa, että neutriinot ovat uskomattoman pieniä.
KATRIN on erittäin iso kone, mutta sen menetelmät ovat yksinkertaisia, Robertson sanoi. Laitteen ensimmäinen kammio on täynnä kaasumaista tritiumia, jonka neutronit hajoavat luonnollisesti elektroneiksi ja neutriinoiksi. Fyysikot tietävät jo kuinka paljon energiaa liittyy neutronin rapistuessa. Osa energiasta muunnetaan neutriino- ja elektronimassiksi. Ja loput kaadetaan uusiin hiukkasiin, sanoen hyvin karkeasti, kuinka nopeasti ne menevät. Yleensä tuo ylimääräinen energia jakautuu melko tasaisesti elektronin ja neutriinojen välille. Mutta joskus suurin osa tai kaikki jäljellä oleva energia joutuu johonkin hiukkasiin.
Tällöin kaikki neutriino- ja elektroni-muodostumisen jälkeen jäljelle jäävä energia heitetään elektronipartneriin, muodostaen superergisen elektronin, Robertson sanoi. Tämä tarkoittaa, että neutriinon massa voidaan laskea: Se on neutronimyrkkyyn osallistuva energia, josta on vähennetty kokeen elektronin massa ja elektronien suurin energiataso.
Kokeen suunnitelleet fyysikot eivät yrittäneet mitata neutriinoja; näiden sallitaan paeta koneesta koskemattomana. Sen sijaan kokeilu suppiloi elektroneja jättiläisessä tyhjökammioon, jota kutsutaan spektrometriksi. Sähkövirta luo sitten erittäin voimakkaan magneettikentän, jonka vain korkeimman energian elektronit pääsevät läpi. Kammion toisessa päässä on laite, joka laskee kuinka moni elektronia kuljettaa sen kentän läpi. Kun KATRIN lisää hitaasti magneettikentän voimakkuutta, Robertson sanoi, läpi kulkevien elektronien määrä kutistuu - melkein ikään kuin se aikoisi haalistua nollaan asti. Mutta elektronien energiatasojen tämän spektrin lopussa tapahtuu jotain.
"Spektri kuolee yhtäkkiä, ennen kuin saavut loppupisteeseen, koska elektroni ei voi varastaa neutriinoa. Se on aina jätettävä neutriinojen taakse", Robertson sanoi. Neutriinon massan on oltava pienempi kuin pieni energiamäärä, joka puuttuu spektrin lopusta. Ja useiden viikkojen juoksuajan jälkeen kokeilijat kavensivat tämän määrän noin puoleen määrästä, josta fyysikot aiemmin tiesivät.
Ajatus siitä, että neutriinoilla on massaa, on vallankumouksellinen; Standardimalli, keskeinen fysiikan teoria, joka kuvaa subatomista maailmaa, kun vaaditulla neutriinoilla ei ollut lainkaan massaa, Robertson huomautti. Jo 1980-luvulla venäläiset ja amerikkalaiset tutkijat yrittivät mitata neutriinomassoja, mutta niiden tulokset olivat ongelmallisia ja epätarkkoja. Yhdessä vaiheessa venäläiset tutkijat kiinnittivät neutriinon massan tarkalleen 30 eV: n kohdalla - hieno luku, joka olisi paljastanut neutriinot puuttuvana linkinä, joka olisi selittänyt maailmankaikkeuden suuren gravitaation rakenteen ja täyttänyt kaiken puuttuvan massan - mutta yhden se osoittautui vääräksi.
Robertson ja hänen kollegansa aloittivat työskentelyn ensin kaasumaisen tritiumin kanssa tuolloin, kun he ymmärsivät, että heikosti radioaktiivinen aine tarjosi tarkemman tieteen käytettävissä olevan neutronien hajoamisen lähteen.
"Tämä on ollut pitkä haku", Robertson sanoi. "Venäjän mittaus 30 eV: lla oli erittäin jännittävää, koska se olisi sulkenut maailmankaikkeuden painovoimalla. Ja se on silti jännittävä tästä syystä. Neutrinoilla on suuri rooli kosmologiassa, ja ne ovat todennäköisesti muokanneet maailmankaikkeuden laaja-alaista rakennetta."
Kaikki nämä heikot hiukkaset, jotka lentävät hinaajan ympärillä kaikkeen muuhun painovoimansa kanssa, ottavat ja lainaavat energiaa kaikesta muusta asiasta. Robertson sanoi, että kun massamäärä laskee, näiden pienten hiukkasten tarkka rooli muuttuu monimutkaisemmaksi.
1,1 eV-luku, tutkijan mukaan, on mielenkiintoinen, koska se on ensimmäinen kokeellisesti johdettu neutriinomassamäärä, joka ei ole tarpeeksi korkea selittämään muun maailmankaikkeuden rakennetta yksinään.
"On asia, josta ei ole vielä mitään tiedämme. Siinä on tämä pimeä aine", eikä sitä voida tehdä niistä neutriinoista, joista tiedämme, hän sanoi.
Joten tämä pieni lukumäärä Saksan suuresta tyhjiökammiosta lisää ainakin todistekasan, että maailmankaikkeudessa on elementtejä, joita fysiikka ei vieläkään ymmärrä.
