Standardmodellen for partikelfysik er en af videnskabens mest imponerende feats. Det er en streng, præcis indsats for at forstå og beskrive tre af de fire grundlæggende kræfter i universet: den elektromagnetiske kraft, den stærke atomkraft og den svage atomkraft. Tyngdekraften er fraværende, fordi det indtil videre har været yderst udfordrende at montere den i standardmodellen.
Men der er nogle huller i standardmodellen, og en af dem involverer neutrinoens masse.
Tilstedeværelsen af neutrino blev først foreslået i 1930, derefter opdaget i 1956. Siden da har fysikere lært, at der er tre typer neutrinoer, og de er rigelige og undvigende. Kun specielle faciliteter kan registrere dem, fordi de sjældent interagerer med andet stof. Der er flere kilder til dem, og nogle af dem har lynet gennem rummet siden Big Bang, men de fleste neutrinoer i nærheden af Jorden kommer fra solen.
Standardmodellen forudsiger, at neutrinoer ikke har nogen masse, som fotoner. Men fysikere har fundet, at de tre typer neutrinoer kan omdannes til hinanden, når de bevæger sig. Ifølge fysikere skulle de kun være i stand til at gøre det, hvis de har masse.
Men hvor meget masse? Det er et spørgsmål, der har taget partikelfysikere. Og at besvare dette spørgsmål er en del af, hvad der driver forskere ved KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment).
”Disse fund fra KATRIN-samarbejdet reducerer det forrige masseområde for neutrino med en faktor på to ...”
HAMISK ROBERTSON, KATRIN SCIENTIST OG PROFESSOR EMERITUS OF FYSICS UNIVERSITY OF WASHINGTON.
Et team af forskere er kommet med en del af et svar på det: massen af neutrino kan ikke være større end 1,1 elektronvolt (eV.) Dette er en reduktion af den øvre grænse for en neutrinos masse med næsten 1 eV; fra 2 eV ned til 1,1 eV. Ved at bygge videre på tidligere eksperimenter, der satte den nedre massegrænse til 0,02 eV, har disse forskere sat et nyt interval for neutrinos masse. Det viser, at en neutrino har mindre end 1 / 500.000. Massen af et elektron. Dette er et vigtigt trin i fremme af standardmodellen.
”At kende neutrinoens masse vil give forskere mulighed for at besvare grundlæggende spørgsmål inden for kosmologi, astrofysik og partikelfysik ...”
Hamish Robertson, KATRIN-videnskabsmand og professor emeritus i fysik ved University of Washington.
Forskerne bag dette arbejde kommer fra 20 forskellige forskningsinstitutioner over hele verden. De arbejder med KATRIN på Karlsruhe Teknologiske Institut i Tyskland. KATRIN-anlægget har et 10 meter højopløsningsspektrometer, som gør det muligt at måle elektronenheder med stor præcision.
KATRIN-teamet præsenterede deres resultater på konferencen Theme in Astroparticle and Underground Physics i Toyama, Japan, den 13. september.
”At kende neutrinoens masse vil give forskere mulighed for at besvare grundlæggende spørgsmål inden for kosmologi, astrofysik og partikelfysik, såsom hvordan universet har udviklet sig, eller hvilken fysik der eksisterer ud over standardmodellen,” sagde Hamish Robertson, en KATRIN-forsker og professor emeritus i fysik på University of Washington. "Disse fund fra KATRIN-samarbejdet reducerer det forrige masseområde for neutrinoen med en faktor på to, sætter strengere kriterier for, hvad neutrino's masse faktisk er, og giver en vej fremad til at måle dens værdi definitivt."
Neutrinoer er notorisk vanskelige at opdage, selvom de er rigelige. Kun fotoner er mere rigelige. Som deres navn siger, de er elektrisk neutrale. Dette gør detektering af dem ekstremt vanskeligt. Der er neutrinoobservatorier sunket dybt i den antarktiske is og også dybt i forladte miner. De bruger ofte tungt vand for at lokke neutrinoerne til at interagere. Når en neutrino interagerer, producerer den Cherenkov-stråling, der kan måles.
"Hvis du fyldte solsystemet med bly ud til halvtreds gange ud over Plutos bane, ville ca. halvdelen af de neutrinoer, som solen udsender, stadig forlade solsystemet uden at interagere med det bly," sagde Robertson.
Neutrinoens historie har udviklet sig over tid med eksperimenter som KATRIN. Oprindeligt forudsagde standardmodellen, at neutrinoer ikke ville have nogen masse. Men i 2001 viste to forskellige detektorer, at deres masse ikke er nul. Nobelprisen i fysik 2015 blev tildelt to videnskabsfolk, der viste, at neutrinoer kan svinge mellem forskellige typer, hvilket viser, at de har masse.
KATRIN-anlægget måler indirekte masse af neutrino. Det fungerer ved at overvåge forfaldet af tritium, som er en meget radioaktiv form for brint. Når tritiumisotopen henfalder, udsender den parparter: en elektron og en anti-neutrino. Tilsammen deler de 18.560 eV energi.
I de fleste tilfælde deler parpartiet 18.560 eV lige. Men i sjældne tilfælde sværter elektronet det meste af energien og efterlader neutrinoen meget lidt. Disse sjældne tilfælde er forskere fokuseret på.
På grund af E = mC2, skal den lille mængde energi, der er tilbage til neutrinoen i disse sjældne tilfælde, også svare til dens masse. Da KATRIN har magten til at måle elektronet nøjagtigt, er det også i stand til at bestemme neutrinoens masse.
”At løse massen af neutrino ville føre os ind i en modig ny verden med at skabe en ny standardmodel,” sagde Peter Doe, en forskerprofessor i fysik fra University of Washington, der arbejder på KATRIN.
Denne nye standardmodel, som Doe nævner, kan have potentialet til at redegøre for mørkt stof, som udgør det meste af sagen i universet. Indsats som KATRIN kan en dag opdage en anden, fjerde type neutrino kaldet den sterile neutrino. Indtil videre er denne fjerde type kun formodning, men den er en kandidat til mørk stof.
"Neutrino er underlige små partikler," sagde Doe. "De er så allestedsnærværende, og der er så meget, vi kan lære, når vi bestemmer denne værdi."
At vise, at neutrinoer har masse, og at begrænse rækkevidden af denne masse, er begge vigtige. Men partikelfysikere ved stadig ikke, hvordan de får deres masse. Det er sandsynligvis anderledes end hvordan andre partikler får deres.
Resultater som dette fra KATRIN hjælper med at lukke et hul i standardmodellen og i vores overordnede forståelse af universet. Universet er fuld af gamle neutrinoer fra Big Bang, og enhver fremskridt i neutrinoens masse hjælper os med at forstå, hvordan universet dannede sig og udviklede sig.
Mere:
- Pressemeddelelse: KATRIN skærer massestimatet for den undvigende neutrino i to
- Karlsruhe Institut for Teknologi: KATRIN
- CERN: Standardmodellen
- Symmetry Magazine: Fem mysterier, som standardmodellen ikke kan forklare
- MIT-nyheder: 3Q: Forskere barberer skøn over neutrinos masse i halvdelen
