O mașină mare, de numărare a electronilor, a transformat indirect o măsurare a celei mai alunecate particule cunoscute din fizică - și s-a adăugat la dovezile pentru materia întunecată.
Această măsurare este primul rezultat dintr-un efort internațional de a măsura masa neutrinilor - particule care umplu universul nostru și îi determină structura, dar pe care abia reușim să le detectăm. Neutrinii, conform experimentului german Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), pe bază germană, nu au mai mult de 0,0002% din masa unui electron. Acest număr este atât de scăzut încât, chiar dacă am ridica toate neutrinele din univers, nu ar putea explica masa lui lipsă. Și acest fapt se adaugă la pila de dovezi pentru existența materiei întunecate.
KATRIN este practic o mașină foarte mare pentru numărarea electronilor cu energie super-înaltă care izbucnesc dintr-un eșantion de tritiu - o formă radioactivă de hidrogen. cu un proton și doi neutroni în fiecare atom. Tritiul este instabil, iar neutronii săi se descompun în perechi electron-neutrino. KATRIN caută electronii și nu neutrinii, deoarece neutrinii sunt prea slabi pentru a se măsura cu precizie. Și mașina folosește gaz de tritiu, potrivit lui Hamish Robertson, un om de știință KATRIN și profesor emerit la Universitatea din Washington, pentru că este singura sursă de electron-neutrino suficient de simplă pentru a obține o măsurare masivă bună.
Neutrinii sunt mai mult sau mai puțin imposibili de măsurat cu precizie pe cont propriu, deoarece au o masă atât de mică și tind să sară din detectori fără să interacționeze cu ei. Deci, pentru a-și da seama de masa neutrinilor, a spus Robertson pentru Live Science, KATRIN numără cei mai energici electroni și acționează înapoi din acest număr pentru a deduce masa neutrinului. Primele rezultate de la KATRIN au fost anunțate, iar cercetătorii au ajuns la o concluzie timpurie: Neutrino-urile au o masă nu mai mare de 1,1 electron volți (eV).
Tensiunile electronice sunt unitățile de masă și energia pe care fizicienii le folosesc atunci când vorbesc despre cele mai mici lucruri din univers. (La scara particulelor fundamentale, energia și masa sunt măsurate folosind aceleași unități, iar perechile neutrino-electroni trebuie să aibă niveluri de energie combinate echivalente cu neutronul sursă.) Bosonul Higgs, care le împrumută alte particule masa lor, are un masa de 125 miliarde EV. Protonii, particulele din centrul atomilor, au mase de aproximativ 938 milioane eV. Electronii sunt doar 510.000 eV. Acest experiment confirmă faptul că neutrinii sunt incredibil de mici.
KATRIN este o mașină foarte mare, dar metodele sale sunt simple, a spus Robertson. Prima cameră a dispozitivului este plină de tritiu gazos, ai cărui neutroni se descompun în mod natural în electroni și neutrini. Fizicienii știu deja câtă energie este implicată atunci când un neutron se descompune. O parte din energie este transformată în masa neutrinului și masa electronului. Iar restul este turnat în acele particule nou-create, care dictează foarte repede cât de repede merg. De obicei, acea energie suplimentară este distribuită destul de uniform între electron și neutrin. Dar uneori, cea mai mare parte sau toată energia rămasă este aruncată într-o particulă sau alta.
În acest caz, toată energia rămasă după formarea neutrinului și electronului este aruncată în partenerul de electroni, formând un electron super-înalt de energie, a spus Robertson. Asta înseamnă că masa neutrinului poate fi calculată: este energia implicată în descompunerea neutronilor minus masa electronului și nivelul energetic maxim al electronilor din experiment.
Fizicienii care au conceput experimentul nu au încercat să măsoare neutrinii; acelea au voie să scape de mașina neatinsă. În schimb, experimentul îmbină electronii într-o cameră de vid uriașă, numită spectrometru. Un curent electric creează apoi un câmp magnetic foarte puternic prin care pot trece numai electronii cu cea mai mare energie. La celălalt capăt al acelei camere este un dispozitiv care contează câți electroni îl fac prin câmp. Pe măsură ce KATRIN crește încet rezistența câmpului magnetic, a spus Robertson, numărul de electroni care trece prin contracție - aproape ca și cum s-ar părea să se estompeze până la zero. Dar la sfârșitul acelui spectru de niveluri de energie a electronilor, se întâmplă ceva.
"Spectrul moare brusc, înainte de a ajunge la punctul final, deoarece masa neutrinului nu poate fi furată de electroni. Întotdeauna trebuie lăsată în urmă pentru neutrini", a spus Robertson. Masa neutrinului trebuie să fie mai mică decât acea cantitate minusculă de energie care lipsește chiar de la sfârșitul spectrului. Și după câteva săptămâni de rulare, experimentatorii au redus acest număr până la aproximativ jumătate din numărul pe care fizicienii îl știau anterior.
Ideea că neutrinii au masă deloc este revoluționară; Modelul standard, teoria fizicii de bază care descrie lumea subatomică, a insistat când neutrinii nu au deloc masă, a subliniat Robertson. Încă din anii 1980, cercetătorii ruși și americani încercau să măsoare mase de neutrino, dar rezultatele lor erau problematice și imprecise. La un moment dat, cercetătorii ruși au legat masa neutrinului la exact 30 eV - un număr plăcut care ar fi dezvăluit neutrinii drept legătura lipsă care ar fi explicat marea structură gravitațională a universului, completând toată masa lipsă - dar una asta s-a dovedit a fi greșit.
Robertson și colegii săi au început mai întâi să lucreze cu tritiu gazos, apoi, după ce au realizat că substanța slab radioactivă a oferit cea mai precisă sursă de descompunere a neutronilor.
"Aceasta a fost o căutare lungă", a spus Robertson. "Măsurarea rusească de 30 eV a fost foarte interesantă, deoarece ar fi închis gravitațional universul. Și este încă interesant din acest motiv. Neutrinii joacă un rol important în cosmologie și probabil au modelat structura pe scară largă a universului."
Toate acele particule slabe care zboară în jurul valorii de tracțiune cu gravitația lor și iau și împrumută energie din toate celelalte materii. Deși numărul maselor este redus, Robertson a spus, rolul precis pe care îl joacă aceste mici particule se complică.
Numărul 1.1 eV, a spus cercetătorul, este interesant, deoarece este primul număr de masă neutrino derivată experimental care nu este suficient de mare pentru a explica singură structura restului universului.
„Nu există nimic despre care știm încă. Există această materie întunecată” și nu poate fi făcută din neutrinii despre care știm, a spus el.
Deci, acest număr mic dintr-o cameră de vid mare din Germania se adaugă cel puțin la grămada de dovezi că universul are elemente pe care fizica încă nu le înțelege.
