Standartinis dalelių fizikos modelis yra vienas įspūdingiausių mokslo objektų. Tai griežtos, tikslios pastangos suprasti ir apibūdinti tris iš keturių pagrindinių Visatos jėgų: elektromagnetinę jėgą, stiprią branduolinę jėgą ir silpną branduolinę jėgą. Sunkumo nėra, nes iki šiol buvo sudėtinga pritaikyti jį standartiniam modeliui.
Tačiau standartiniame modelyje yra keletas skylių, o viena iš jų apima neutrino masę.
Neutrino egzistavimas pirmą kartą buvo pasiūlytas 1930 m., Tada aptiktas 1956 m. Nuo to laiko fizikai sužinojo, kad yra trys neutrinų tipai. Jų yra gausu ir neįmanoma. Juos aptikti gali tik specialūs įrenginiai, nes jie retai sąveikauja su kitais dalykais. Jiems yra keletas šaltinių, ir kai kurie iš jų nuo pat didžiojo sprogimo buvo užfiksuoti kosmose, tačiau dauguma neutrinų šalia Žemės yra iš Saulės.
Standartinis modelis prognozuoja, kad neutrinai neturi masės, kaip ir fotonai. Tačiau fizikai nustatė, kad trijų tipų neutrinai gali judėti vienas į kitą. Anot fizikų, jie turėtų tai padaryti tik tada, kai turi masę.
Bet kiek masės? Tai klausimas, kuris sujaudino dalelių fizikus. Atsakymas į šį klausimą yra dalis to, kas skatina KATRIN mokslininkus („Karlsruhe“ tričio neutrino eksperimentas).
„Šios KATRIN bendradarbiavimo išvados sumažina ankstesnį neutrino masės diapazoną dvigubai ...“
HAMISHAS ROBERTSONAS, KATRINO MOKSLININKAS IR FIZIKOS PROFESORIS EMERITUSAS VASHINGTONO UNIVERSITETAS.
Tyrėjų komanda sugalvojo dalį atsakymo į tai: neutrino masė negali būti didesnė kaip 1,1 elektronų volto (eV.). Tai yra neutrino masės viršutinės ribos sumažinimas beveik 1 eV; nuo 2 eV iki 1,1 eV. Remdamiesi ankstesniais eksperimentais, kuriuose nustatyta žemiausia masės riba ties 0,02 eV, šie tyrėjai nustatė naują neutrinos masės diapazoną. Tai rodo, kad neutrinas turi mažiau kaip 1/500 000. elektrono masės. Tai yra svarbus žingsnis tobulinant standartinį modelį.
„Neutrino masės žinojimas leis mokslininkams atsakyti į pagrindinius kosmologijos, astrofizikos ir dalelių fizikos klausimus ...“
Hamish Robertson, KATRIN mokslininkas ir Vašingtono universiteto fizikos profesorius emeritas.
Šio darbo tyrinėtojai yra iš 20 skirtingų mokslo institucijų visame pasaulyje. Jie dirba su KATRIN Karlsruhe technologijos institute Vokietijoje. KATRIN įrenginyje yra 10 metrų didelės skiriamosios gebos spektrometras, kuris leidžia labai tiksliai išmatuoti elektronų energiją.
KATRIN komanda pristatė savo rezultatus 2019 m. Temų astrodalelių ir požeminės fizikos konferencijoje, Toyama mieste, Japonijoje, rugsėjo 13 d.
„Neutrino masės žinojimas leis mokslininkams atsakyti į esminius kosmologijos, astrofizikos ir dalelių fizikos klausimus, pavyzdžiui, kaip vystėsi visata ar kokia fizika egzistuoja už standartinio modelio ribų“, - teigė KATRIN mokslininkas ir fizikos profesorius emeritas Hamisas Robertsonas. Vašingtono universitete. „Šie KATRIN bendradarbiavimo duomenys sumažina ankstesnį neutrino masės diapazoną dvigubai, nustato griežtesnius kriterijus pagal neutrino masę ir pateikia kelią į priekį, kad galutinai išmatuotų jo vertę“.
Neutrinus sunku pastebėti, nors jų gausu. Gausiau tik fotonai. Kaip sako jų vardas, jie yra elektriškai neutralūs. Tai labai sunku juos aptikti. Yra neutrinų observatorijos, nuskendusios giliai Antarktidos lede, taip pat giliai apleistose minose. Jie dažnai naudoja sunkų vandenį, kad priviliotų neutrinus sąveikauti. Kai neutrinas sąveikauja, jis sukuria Cherenkovo radiaciją, kurią galima išmatuoti.
„Jei užpildytumėte saulės sistemą švinu penkiasdešimt kartų per Plutono orbitą, maždaug pusė saulės skleidžiamų neutrinų vis tiek išeitų iš saulės sistemos nesikišant su tuo švinu“, - sakė Robertsonas.
Neutrino istorija ilgainiui pasikeitė su tokiais eksperimentais kaip KATRIN. Iš pradžių standartiniame modelyje numatoma, kad neutrinai neturės masės. Tačiau 2001 m. Du skirtingi detektoriai parodė, kad jų masė nėra lygi nuliui. 2015 m. Nobelio fizikos premija buvo paskirta dviem mokslininkams, kurie parodė, kad neutrinai gali svyruoti tarp tipų, parodydami, kad jie turi masę.
KATRIN įstaiga netiesiogiai matuoja neutrinų masę. Jis veikia stebint tričio, kuris yra labai radioaktyvi vandenilio forma, skilimą. Tričio izotopas suyra, jis išskiria dalelių poras: elektroną ir anti-neutriną. Kartu jie dalijasi 18 560 eV energijos.
Daugeliu atvejų dalelių pora vienodai dalijasi 18 560 eV. Tačiau retais atvejais elektronas sugauna didžiąją dalį energijos, palikdamas neutriną labai mažai. Šie reti atvejai yra tie, į kuriuos mokslininkai kreipia dėmesį.
Dėl E = mC2, nedidelis energijos kiekis, paliktas neutrinui šiais retais atvejais, taip pat turi prilygti jo masei. Kadangi KATRIN turi galią tiksliai išmatuoti elektroną, jis taip pat gali nustatyti neutrinos masę.
„Neutrino masės sprendimas lems drąsų naują pasaulį, kuriant naują standartinį modelį“, - teigė Peter Doe, Vašingtono universiteto fizikos mokslo profesorius, dirbantis KATRIN.
Šis naujas standartinis modelis, kurį mini Doe, gali turėti įtakos tamsiajai medžiagai, kuri sudaro didžiąją dalį visatos materijos. Tokios pastangos kaip KATRIN vieną dieną gali aptikti kitą, ketvirtą neutrinų tipą, vadinamą steriliu neutrinu. Kol kas šis ketvirtasis tipas yra tik spėlionės, tačiau jis yra tamsiosios medžiagos kandidatas.
„Neutrinai yra keistos mažos dalelės“, - sakė Doe. „Jie yra tokie visur paplitę ir yra tiek daug, ko galime išmokti, kai nustatysime šią vertę“.
Svarbu parodyti, kad neutrinai turi masę, ir apriboti tos masės diapazoną. Bet dalelių fizikai vis dar nežino, kaip jie gauna savo masę. Tai turbūt skiriasi nuo to, kaip kitos dalelės įgyja jas.
Tokie KATRIN rezultatai padeda uždaryti skylę standartiniame modelyje ir mūsų visuotiniame supratime. Visata yra pilna senovės neutrinų, kylančių iš Didžiojo sprogimo, ir kiekvienas neutrino masės progresas padeda mums suprasti, kaip Visata formavosi ir vystėsi.
Daugiau:
- Pranešimas spaudai: KATRIN perpjauna sunkiai pasiekiamo neutrino masės vertę per pusę
- Karlsruhe technologijos institutas: KATRIN
- CERN: standartinis modelis
- Žurnalas „Simetrija“: penkios paslaptys, kurių standartinis modelis negali paaiškinti
- MIT žinios: 3Q: Mokslininkai neutrino masę įvertina per pusę
