Didelė elektronų skaičiavimo mašina netiesiogiai parodė mažiausią fizikoje žinomą dalelę - ir pridėjo tamsiosios medžiagos įrodymų.
Šis matavimas yra pirmasis rezultatas iš tarptautinių pastangų išmatuoti neutrinų masę - daleles, kurios užpildo mūsų visatą ir nustato jos struktūrą, bet kurias mes beveik nesugebame aptikti. Remiantis vokiečių paremtu Karlsruhe tričio neutrino eksperimentu (KATRIN), neutronai neturi daugiau kaip 0,0002% elektrono masės. Šis skaičius yra toks mažas, kad net jei sutrauksime visus neutrinus Visatoje, jie negalėjo paaiškinti jo trūkstamos masės. Šis faktas papildo tamsiosios medžiagos egzistavimo įrodymų krūvą.
KATRIN iš esmės yra labai didelis aparatas ypač didelės energijos elektronų, kurie sprogo iš tričio, radioaktyvaus vandenilio formos, skaičiavimui. kurių kiekviename atome yra vienas protonas ir du neutronai. Triis yra nestabilus, o jo neutronai skyla į elektronų-neutrinų poras. KATRIN ieško elektronų, o ne neutrinų, nes neutrinai yra per silpni, kad būtų galima tiksliai išmatuoti. KATRIN mokslininko ir Vašingtono universiteto emerito profesoriaus Hamisho Robertsono teigimu, mašina naudoja tričio dujas, nes tai yra vienintelis elektronų neutralitino šaltinis, pakankamai paprastas, kad būtų galima gerai išmatuoti masę.
Neutrinų daugiau ar mažiau neįmanoma tiksliai išmatuoti savarankiškai, nes jie turi tiek mažai masės ir yra linkę praleisti detektorius, nesikišdami į juos. Taigi, norėdamas išsiaiškinti neutrinų masę, Robertsonas pasakojo „Live Science“, KATRIN suskaičiuoja energiškiausius elektronus ir, skaičiuodamas neutrinų masę, dirba nuo šio skaičiaus atgal. Paskelbti pirmieji KATRIN rezultatai, ir tyrėjai padarė ankstyvą išvadą: neutrinų masė ne didesnė kaip 1,1 elektronų volto (eV).
Elektronų voltai yra masės ir energijos vienetai, kuriuos naudoja fizikai, kalbėdami apie mažiausius Visatos dalykus. (Pagrindinių dalelių skalėje energija ir masė matuojama naudojant tuos pačius vienetus, o neutrino-elektronų poros turi turėti bendrą energijos lygį, lygų jų šaltinio neutronui.) Higso bozonas, kuris kitoms dalelėms dalija savo masę, turi masė - 125 milijardai EV. Protonų, dalelių, esančių atomų centre, masė yra apie 938 milijonai eV. Elektronai yra tik 510 000 eV. Šis eksperimentas patvirtina, kad neutrinų yra neįtikėtinai maža.
KATRIN yra labai didelis aparatas, tačiau jo metodai yra aiškūs, sakė Robertsonas. Pirmojoje prietaiso kameroje pilna dujinio tričio, kurio neutronai natūraliai skyla į elektronus ir neutrinus. Fizikai jau žino, kiek energijos sunaudojama, kai neutronas suyra. Dalis energijos paverčiama neutrinos ir elektronų mase. Ir visa kita supilama į tas naujai sukurtas daleles, labai grubiai diktuojant, kaip greitai jos eina. Paprastai ta papildoma energija paskirstoma gana tolygiai tarp elektronų ir neutrinų. Bet kartais didžioji dalis energijos arba visa likusi energija patenka į vieną ar kitą dalelę.
Tokiu atveju visa energija, likusi po to, kai suformuojamas neutrinas ir elektronas, patenka į elektronų partnerį ir sudaro ypač aukštos energijos elektroną, sakė Robertsonas. Tai reiškia, kad galima apskaičiuoti neutrinos masę: Tai neutronų skilimo energija, atėmus elektrono masę ir didžiausią eksperimento elektronų energijos lygį.
Tyrimą suprojektavę fizikai nemėgino išmatuoti neutrinų; jiems leidžiama išlįsti iš nepaliestos mašinos. Vietoj to, eksperimentas nukreipia elektronus į milžinišką vakuumo kamerą, vadinamą spektrometru. Elektros srovė sukuria labai stiprų magnetinį lauką, kurį gali praleisti tik aukščiausios energijos elektronai. Kitame tos kameros gale yra įtaisas, kuris suskaičiuoja, kiek elektronų sukuria per lauką. Kai KATRIN lėtai didina magnetinio lauko stiprį, sakė Robertsonas, per elektroną patenkančių elektronų skaičius susitraukia - beveik taip, lyg jis nugrimztų iki nulio. Bet pačiame elektronų energijos lygių spektro gale kažkas nutinka.
"Spektras miršta staiga, kol nepasieksite galutinio taško, nes elektronas negali pavogti neutrinos masės. Jį visada reikia palikti už neutrinų", - teigė Robertsonas. Neutrino masė turi būti mažesnė už tą mažą energijos kiekį, kurio trūksta pačiame spektro gale. Po kelių savaičių trukmės eksperimentatoriai sumažino šį skaičių iki maždaug pusės to skaičiaus, apie kurį anksčiau žinojo fizikai.
Idėja, kad neutrinai iš viso turi masę, yra revoliucinė; Standartinis modelis, pagrindinė fizikos teorija, apibūdinanti subatominį pasaulį, kai tvirtino, kad neutrinai neturi jokios masės, pažymėjo Robertsonas. Dar devintajame dešimtmetyje Rusijos ir Amerikos tyrinėtojai bandė išmatuoti neutrinų mases, tačiau jų rezultatai buvo problemiški ir netikslūs. Vienu metu Rusijos tyrėjai susiejo neutrino masę tiksliai ties 30 eV - gražiu skaičiumi, kuris būtų atskleidęs neutrinus kaip trūkstamą grandį, kuri būtų paaiškinusi didžiąją gravitacinę Visatos struktūrą, užpildžiusi visą trūkstamą masę - tik vieną. kad pasirodė neteisinga.
Tada Robertsonas ir jo kolegos pirmiausia pradėjo dirbti su dujiniu tričiu, po to, kai suprato, kad silpnai radioaktyviosios medžiagos yra tiksliausias mokslui prieinamas neutronų skilimo šaltinis.
„Tai buvo ilgos paieškos“, - sakė Robertsonas. "Rusijos 30 eV matavimas buvo labai jaudinantis, nes jis būtų uždaręs Visatą gravitaciniu mastu. Ir vis tiek tai jaudina dėl šios priežasties. Neutrinai vaidina didelį vaidmenį kosmologijoje. Jie tikriausiai suformavo didelio masto Visatos struktūrą."
Visos tos silpnos dalelės, kurios aplink sunkvežimį skraido vilkdamos visas jėgas, ima ir skolina energiją iš visų kitų dalykų. Robertsonas teigė, kad mažėjant masės skaičiui, tikslus šių mažų dalelių vaidmuo tampa sudėtingesnis.
Tyrėjo teigimu, 1,1 eV skaičius yra įdomus, nes tai yra pirmasis eksperimento būdu gautas neutrinų masės skaičius, kuris nėra pakankamai didelis, kad paaiškintų likusios visatos struktūrą.
"Yra materija, apie kurią dar nieko nežinome. Yra ir ši tamsi medžiaga", ir ji negali būti sudaryta iš mūsų žinomų neutrinų.
Taigi šis mažas skaičius iš didelių vakuuminių kamerų Vokietijoje bent jau papildo įrodymų krūvą, kad visatoje yra elementų, kurių fizika vis dar nesupranta.
