Modelul standard al fizicii particulelor este una dintre cele mai impresionante fapte ale științei. Este un efort riguros și precis de a înțelege și descrie trei dintre cele patru forțe fundamentale ale Universului: forța electromagnetică, forța nucleară puternică și forța nucleară slabă. Gravitatea este absentă, deoarece până acum, încadrarea în modelul standard a fost extrem de dificilă.
Există însă câteva găuri în modelul standard, iar una dintre ele implică masa neutrinului.
Existența neutrinului a fost propusă pentru prima dată în 1930, apoi detectată în 1956. De atunci, fizicienii au aflat că există trei tipuri de neutrini și sunt abundenți și evazivi. Doar facilitățile speciale le pot detecta deoarece interacționează rar cu alte materii. Există mai multe surse pentru ele, iar unele dintre ele au trecut prin spațiu încă de la Big Bang, dar majoritatea neutrinilor din apropierea Pământului provin de la Soare.
Modelul standard prezice că neutrinii nu au nicio masă, ca fotonii. Dar fizicienii au descoperit că cele trei tipuri de neutrini se pot transforma unul în altul pe măsură ce se mișcă. Potrivit fizicienilor, ei ar trebui să fie capabili să facă asta numai dacă au masă.
Dar câtă masă? Aceasta este o întrebare care i-a pus în discuție pe fizicieni cu particule. Iar răspunsul la această întrebare face parte din ceea ce îi determină pe oamenii de știință de la KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
„Aceste constatări prin colaborarea KATRIN reduc gama de masă anterioară pentru neutrin cu un factor de doi ...”
HAMISH ROBERTSON, ȘTIINȚIST KATRIN ȘI PROFESOR EMERITUS DE FIZICĂ LA UNIVERSITATEA DIN WASHINGTON.
O echipă de cercetători a oferit o parte a unui răspuns la asta: masa neutrino nu poate fi mai mare de 1,1 electron volți (eV.) Aceasta este o reducere a limitei superioare a masei unui neutrino cu aproape 1 eV; de la 2 eV până la 1.1 eV. Bazându-se pe experimentele anterioare care au stabilit limita de masă inferioară la 0,02 eV, acești cercetători au stabilit o nouă gamă pentru masa neutrinului. Acesta arată că un neutrino are mai puțin de 1 / 500.000 de mase din masa unui electron. Acesta este un pas important în avansarea modelului standard.
„Cunoașterea masei neutrinului va permite oamenilor de știință să răspundă la întrebări fundamentale în cosmologie, astrofizică și fizica particulelor ...”
Hamish Robertson, om de știință KATRIN și profesor emerit de fizică la Universitatea Washington.
Cercetătorii din spatele acestei lucrări provin din 20 de instituții de cercetare diferite din întreaga lume. Lucrează cu KATRIN la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din Germania. Facilitatea KATRIN dispune de un spectrometru de înaltă rezoluție de 10 metri, care îi permite să măsoare energiile electronilor cu mare precizie.
Echipa KATRIN și-a prezentat rezultatele la conferința „Topics in Astroparticle and Physics Underground 2019” din Toyama, Japonia, pe 13 septembrie.
„Cunoașterea masei neutrinului va permite oamenilor de știință să răspundă la întrebări fundamentale în cosmologie, astrofizică și fizica particulelor, cum ar fi modul în care universul a evoluat sau ce fizică există dincolo de modelul standard”, a spus Hamish Robertson, un om de știință KATRIN și profesor emerit de fizică. la Universitatea din Washington. „Aceste constatări prin colaborarea KATRIN reduc gama de masă anterioară pentru neutrino cu un factor de doi, plasează criterii mai stricte cu privire la ceea ce este de fapt masa neutrinului și oferă un drum înainte pentru a-i măsura definitiv valoarea.”
Neutrino-urile sunt dificil de detectat, deși sunt abundente. Doar fotonii sunt mai abundenți. Așa cum spune și numele lor, sunt neutre din punct de vedere electric. Acest lucru face ca detectarea acestora să fie extrem de dificilă. Există observatoare neutrino afundate adânc în gheața Antarctică și, de asemenea, adânc în minele abandonate. Adesea folosesc apă grea pentru a atrage neutrinii pentru a interacționa. Când un neutrin interacționează, produce radiații Cherenkov care pot fi măsurate.
„Dacă ai umple sistemul solar cu plumb până la cincizeci de ori dincolo de orbita lui Pluto, aproximativ jumătate din neutrinii emiși de soare ar părăsi sistemul solar fără să interacționeze cu acel plumb”, a spus Robertson.
Istoria neutrino-ului a evoluat de-a lungul timpului cu experimente precum KATRIN. Inițial, modelul standard a prezis neutrinii nu ar avea nicio masă. Dar în 2001, doi detectori diferiți au arătat că masa lor este zero. Premiul Nobel pentru fizică din 2015 a fost acordat doi oameni de știință care au arătat că neutrinii pot oscila între tipuri, arătând că au masă.
Facilitatea KATRIN măsoară indirect masa neutrinilor. Funcționează prin monitorizarea descompunerii tritiului, care este o formă extrem de radioactivă de hidrogen. Pe măsură ce izotopul de tritiu scade, emite perechi de particule: un electron și un anti-neutrino. Împreună, aceștia împart 18.560 eV de energie.
În cele mai multe cazuri, perechea de particule are în mod egal 18.560 eV. Însă, în cazuri rare, electronul pornește cea mai mare parte a energiei, lăsând neutrinul cu foarte puțin. Aceste cazuri rare sunt axate pe oamenii de știință.
Datorită E = mC2, cantitatea mică de energie rămasă pentru neutrin în aceste cazuri rare trebuie să fie egală cu masa sa. Deoarece KATRIN are puterea de a măsura cu exactitate electronul, este de asemenea capabil să determine masa neutrinului.
„Rezolvarea masei neutrinului ne-ar duce într-o lume curajosă a creării unui nou model standard”, a spus Peter Doe, profesor de cercetare în fizică de la Universitatea din Washington care lucrează la KATRIN.
Acest nou model standard pe care Doe îl menționează poate avea potențialul de a contabiliza materia întunecată, ceea ce constituie cea mai mare parte a materiei din Univers. Eforturi precum KATRIN pot detecta într-o zi un al patrulea tip de neutrino numit neutrino steril. Până acum acest al patrulea tip este doar conjectură, dar este un candidat pentru materia întunecată.
„Neutrinii sunt particule mici ciudate”, a spus Doe. „Sunt atât de omniprezente și putem afla multe după ce determinăm această valoare.”
Arătând că neutrinii au masă și constrângerea gamei respectivei mase sunt importante. Fizicienii de particule încă nu știu cum își câștigă masa. Probabil este diferit de modul în care alte particule le capătă.
Rezultate de acest fel de la KATRIN ajută la închiderea unei găuri în Modelul Standard și în înțelegerea noastră generală a Universului. Universul este plin de neutrini antici din Big Bang și fiecare avansare în masa neutrinului ne ajută să înțelegem cum s-a format și a evoluat Universul.
Mai Mult:
- Comunicat de presă: KATRIN reduce la jumătate estimarea masei pentru neutrino evaziv
- Institutul de Tehnologie Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Modelul standard
- Revista Symmetry: Cinci mistere pe care modelul standard nu le poate explica
- Știri MIT: 3Q: Oamenii de știință se rad în estimare a masei neutrinului la jumătate
