En stor elektronoptællingsmaskine har indirekte vist en måling af den glidende kendte partikel i fysik - og føjet til beviset for mørkt stof.
Denne måling er det første resultat fra en international indsats for at måle massen af neutrinoer - partikler, der fylder vores univers og bestemmer dets struktur, men som vi næppe er i stand til at registrere. Neutrinos har ifølge det tysk-baserede Karlsruhe Tritium Neutrino-eksperiment (KATRIN) højst 0,0002% massen af et elektron. Dette tal er så lavt, at selv hvis vi opsummerede alle neutrinoerne i universet, kunne de ikke forklare dets manglende masse. Og denne kendsgerning tilføjer bunken med beviser for, at mørk materie eksisterer.
KATRIN er dybest set en meget stor maskine til at tælle de superhøjenergi-elektroner, der brister ud af en prøve af tritium - en radioaktiv form for brint. med et proton og to neutroner i hvert atom. Tritium er ustabil, og dets neutroner nedbrydes til elektronneutrino-par. KATRIN kigger efter elektronerne og ikke neutrinoerne, fordi neutrinoerne er for svage til præcist at måle. Og maskinen bruger tritiumgas, ifølge Hamish Robertson, en KATRIN-videnskabsmand og professor emeritus ved University of Washington, fordi det er den eneste elektronneutrino-kilde, der er enkel nok til at få en god massemåling fra.
Neutrinoer er mere eller mindre umulige at præcist måle på egen hånd, fordi de har så lidt masse og har en tendens til at springe ud af detektorerne uden at interagere med dem. Så for at finde ud af massen af neutrinoer, fortalte Robertson til Live Science, tæller KATRIN de mest energiske elektroner og arbejder baglæns fra dette antal for at udlede neutrinoens masse. De første resultater fra KATRIN er blevet annonceret, og forskerne kom til en tidlig konklusion: Neutrinos har en masse ikke højere end 1,1 elektronvolt (eV).
Elektron volt er de enheder af masse- og energifysikere bruger, når de taler om de mindste ting i universet. (I skala fra den grundlæggende partikel måles energi og masse ved hjælp af de samme enheder, og neutrinoelektronparene skal have kombinerede energiniveauer svarende til deres kildneutron.) Higgs boson, der giver andre partikler deres masse, har en masse på 125 milliarder EV. Protoner, partiklerne i centrum af atomer, har masser på ca. 938 millioner eV. Elektroner er kun 510.000 eV. Dette eksperiment bekræfter, at neutrinoer er utroligt små.
KATRIN er en meget stor maskine, men dens metoder er ligetil, sagde Robertson. Enhedens første kammer er fuld af gasformigt tritium, hvis neutroner naturligt forfalder til elektroner og neutrinoer. Fysikere ved allerede, hvor meget energi der er involveret, når en neutron nedbrydes. Noget af energien omdannes til neutrino-massen og elektronens masse. Og resten hældes i disse nyoprettede partikler, der meget groft dikterer, hvor hurtigt de går. Normalt distribueres den ekstra energi temmelig jævnt mellem elektron og neutrino. Men nogle gange bliver mest eller hele den resterende energi dumpet i den ene eller den anden partikel.
I dette tilfælde dumpes al den energi, der er tilbage, når neutrinoen og elektronet er dannet, ind i elektronpartneren og danner et super-højenergi-elektron, sagde Robertson. Det betyder, at neutrino-massen kan beregnes: Det er energien, der er involveret i neutronfaldet minus elektronens masse og det maksimale energiniveau for elektroner i eksperimentet.
Fysikerne, der designede eksperimentet, forsøgte ikke at måle neutrinoerne; disse må undslippe maskinen uberørt. I stedet trækker eksperimentet elektronerne ind i et kæmpe vakuumkammer, kaldet spektrometeret. En elektrisk strøm skaber derefter et meget stærkt magnetfelt, som kun de højeste energielektroner kan passere gennem. I den anden ende af dette kammer er der en enhed, der tæller, hvor mange elektroner der kommer gennem marken. Da KATRIN langsomt øger styrken af magnetfeltet, sagde Robertson, antallet af elektroner, der kommer igennem, krymper - næsten som om det ville falme helt til nul. Men helt i slutningen af dette spektrum af elektronenerginiveauer sker der noget.
"Spektret dør pludselig, inden du når slutpunktet, fordi massen af neutrino ikke kan stjæles af elektronet. Det skal altid efterlades for neutrinoerne," sagde Robertson. Neutrinoens masse skal være mindre end den lille mængde energi, der mangler helt fra spektret. Og efter adskillige ugers driftstid indsnævrede eksperimenterne dette nummer til ca. halvdelen af antallet, som fysikere tidligere vidste om.
Tanken om, at neutrinoer overhovedet har masse, er revolutionerende; Standardmodellen, den grundlæggende fysiksteori, der beskriver den subatomære verden, engang insisterede neutrinoer har overhovedet ingen masse, påpegede Robertson. Så langt tilbage som i 1980'erne forsøgte russiske og amerikanske forskere at måle neutrino-masser, men deres resultater var problematiske og upræcise. På et tidspunkt bundede russiske forskere neutrino-massen på nøjagtigt 30 eV - et pænt antal, der ville have afsløret neutrinoer som det manglende led, der ville have forklaret universets store gravitationsstruktur og udfyldt al den manglende masse - men en det viste sig at være forkert.
Robertson og hans kolleger begyndte først at arbejde med gasformigt tritium dengang, efter at de forstod, at det svagt radioaktive stof tilbød den mest præcise kilde til neutronfald, som videnskaben havde til rådighed.
"Dette har været en lang søgning," sagde Robertson. "Den russiske måling på 30 eV var meget spændende, fordi den ville have lukket universet tyngdekraften. Og det er stadig spændende af den grund. Neutrinoer spiller en stor rolle i kosmologien, og de har sandsynligvis formet universets store skala."
Alle disse svage partikler, der flyver rundt, trækker på alt andet med deres tyngdekraft og tager og låner energi fra alt det andet stof. Selvom massetallet bliver visket ned, sagde Robertson, bliver den nøjagtige rolle, disse små partikler spiller, mere kompliceret.
1.1 eV-nummeret, siger forskeren, er interessant, fordi det er det første eksperimentelt afledte neutrino-massetal, der ikke er højt nok til at forklare strukturen i resten af universet på egen hånd.
"Der er stof, der ikke er noget, vi ved om endnu. Der er denne mørke sag," og det kan ikke laves af neutrinoerne, som vi ved om, sagde han.
Så dette lille antal fra et stort vakuumkammer i Tyskland tilføjer i det mindste bunken af bevis for, at universet har elementer, som fysik stadig ikke forstår.
