_ Particulă fantomă pe scale: Cercetarea oferă o determinare mai precisă a masei neutrinului

Care este masa unui neutrin în repaus? Aceasta este una dintre marile întrebări fără răspuns din fizică. Neutrinii joacă un rol central în natură. O echipă condusă de Klaus Blaum, director la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară din Heidelberg, a adus acum o contribuție importantă la „cântărirea” neutrinilor, ca parte a colaborării internaționale ECHo. Descoperirile lor sunt publicate în Nature Physics.

Folosind o capcană Penning, a măsurat modificarea masei unui izotop de holmiu-163 cu o precizie extremă atunci când nucleul său captează un electron și se transformă în disproziu-163. Din aceasta, a putut determina valoarea Q de 50 de ori mai precis decât înainte. Folosind o valoare Q mai precisă, pot fi dezvăluite posibile erori sistematice în determinarea masei neutrinilor.

În anii 1930, s-a dovedit că nici energia, nici balanța momentului nu sunt corecte în beta radioactiv. dezintegrarea unui nucleu atomic. Acest lucru a condus la postulatul „particulelor fantomă” care transportă „în secret” energie și impuls. În 1956, s-a obținut în sfârșit dovada experimentală a unor astfel de neutrini. Provocarea: neutrinii interacționează cu alte particule de materie doar prin interacțiunea slabă care stă la baza dezintegrarii beta a unui nucleu atomic.

Din acest motiv, sute de trilioane de neutrini din cosmos, în special soarele , poate trece prin corpurile noastre în fiecare secundă fără a provoca niciun fel de daune. Ciocnirile extrem de rare de neutrini cu alte particule de materie pot fi detectate doar cu detectoare uriașe.

Neutrinii solari au adus o altă revelație revoluționară: cele trei tipuri de neutrini cunoscute până în prezent se pot transforma unul în celălalt. Cu toate acestea, aceste „oscilații de neutrini” au avut o consecință serioasă pentru viziunea asupra lumii a fizicii particulelor. Anterior, se presupunea că neutrinii nu aveau masă de repaus, cum ar fi fotonii.

Acest lucru ar fi compatibil cu modelul standard al fizicii particulelor, cea mai bună descriere a lumii particulelor de până acum. Cu toate acestea, oscilațiile au forțat o masă de repaus pentru neutrini - un alt indiciu că trebuie să existe o nouă fizică dincolo de modelul standard.

Cunoașterea exactă a masei de repaus a neutrinului ar fi, prin urmare, un susan deschis în lumea necunoscută a fizică nouă. Din păcate, nu puteți plasa pur și simplu un neutrin pe o scară. Acest lucru necesită experimente extrem de complexe pe procese fizice accesibile din punct de vedere tehnic, care implică neutrini.

„O cale este dezintegrarea beta a tritiului”, explică Christoph Schweiger, doctorand în departamentul lui Klaus Blaum la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară. Aici, unul dintre cei doi neutroni din hidrogenul supergreu se descompune într-un proton și emite un electron și un neutrin, transformând astfel atomul în heliu mai ușor. Acest proces este „cântărit” de experimentul KATRIN de la Institutul de Tehnologie Karlsruhe.

„Calea complementară este captarea de electroni a izotopului artificial holmiu-163”, continuă Schweiger. Aici, nucleul atomic captează un electron din învelișul electronilor interioare, prin care un proton este convertit într-un neutron, rezultând elementul disprosium-163. Acest lucru eliberează și un neutrin, printre altele. Colaborarea internațională ECHo, în care sunt implicați oamenii de știință de la Heidelberg, încearcă să măsoare acest proces de dezintegrare energetic cu o precizie extremă.

Conform E = mc2 al lui Einstein, masa și energia sunt echivalente, astfel încât energia de măsurare poate fi echivalată cu mase de cântărire. Ca „calorimetru”, ECHo măsoară extrem de precis energia totală eliberată în această dezintegrare: aceasta corespunde unui maxim al valorii Q minus masa de repaus a neutrinului eliberat. În acest scop, izotopul holmiu-163 este încorporat într-un strat de atomi de aur.

„Cu toate acestea, acești atomi de aur ar putea avea o influență asupra holmiului-163”, explică Schweiger. „De aceea, este important să se măsoare valoarea lui Q cât mai precis posibil folosind o metodă alternativă și să o comparăm cu valoarea determinată calorimetric pentru a detecta posibile surse sistematice de eroare.”

Aici este cazul Intră în joc experimentul Pentatrap Heidelberg și teza de doctorat a lui Schweiger. Pentatrap este format din cinci capcane Penning. În aceste capcane, atomii încărcați electric pot fi capturați într-o combinație de câmp electric și magnetic static.

Acești ioni efectuează un „dans cerc” complicat, care permite ca masa lor să fie determinată cu o precizie extremă. „Cu un Airbus A-380 cu o sarcină maximă, ai putea folosi această sensibilitate pentru a determina dacă o singură picătură de apă a aterizat pe el”, spune fizicianul, ilustrând capacitățile acestei super-scări.

În principiu, o capcană Penning funcționează ca un leagăn. Dacă așezi doi copii de greutăți diferite unul lângă altul pe două leagăne de același tip și îi împingi la fel de tare, vei observa treptat o schimbare a frecvențelor de leagăn. Aceasta poate fi folosită pentru a calcula diferența de greutate dintre cei doi copii.

În cazul experimentului pentatrap, aceasta este diferența de masă dintre un ion de holmiu-163 și un ion de disprosiu-163. În plus, cu cât ambii copii se balansează mai repede, cu atât se obține mai repede rezultatul, care este, de asemenea, mult mai precis pentru același timp de observare decât pentru balansarea lentă.

Din acest motiv, echipa a eliminat 38, 39 și 40 de electroni din ionii „foarte încărcați” în trei serii diferite de măsurători, ceea ce face ca „cercul să danseze” considerabil mai rapid. „Dacă totul funcționează, o măsurătoare va dura doar câteva săptămâni”, spune Schweiger.

Din diferențele de masă ca urmare a diferitelor măsurători de frecvență, prin E = mc2, oamenii de știință de la Heidelberg au reușit în sfârșit să determine o valoare Q pentru captarea electronilor care a fost de 50 de ori mai precisă decât înainte. „Contribuția celor trei grupe de teorie, inclusiv grupul lui Christoph Keitel aici la institut, a fost la fel de importantă ca măsurarea noastră”, subliniază Schweiger.

Pe lângă diferența de frecvență dintre cei doi ioni, un al doilea variabila are o influență semnificativă asupra valorii Q determinată: energia stocată în sistemul de electroni rămase a unui ion puternic încărcat. Deoarece un ion atât de mare este un sistem cu mai multe particule, calculul a fost în mod corespunzător complex.

S-a dovedit că calculele au dus la aproape exact aceleași valori Q pentru cele trei stări de încărcare măsurate cu 38, 39 și 40 de electroni îndepărtați. Acest lucru a arătat clar că incertitudinile sistematice în experiment și teorie ar putea fi excluse, subliniază Schweiger cu entuziasm. Și ce înseamnă acest lucru pentru masele de neutrini?

KATRIN a determinat cea mai precisă limită superioară până în prezent a masei neutrinilor prin „cântărirea” la 0,8 electroni volți pe viteza luminii la pătrat, ceea ce corespunde unui inimaginabil 0,00000000000000000000000000000000000000 kilogram.

Acest ordin de mărime de 10-36 corespunde aproximativ raportului de greutate dintre patru stafide și soare. Și aceasta este doar o limită superioară. Analiza distribuției estimate a masei în univers ajunge chiar la o limită superioară semnificativ inferioară a maselor neutrinilor de 0,12 electron volți pe viteza luminii la pătrat.

„Cu toate acestea, această analiză este foarte complexă și depinde de modelul cosmologic folosit”, spune Schweiger. În orice caz, este clar că oricine dorește să cântărească neutrini se confruntă cu provocări extreme la marginea a ceea ce este posibil din punct de vedere tehnic. Pe acest fundal, rezultatul Heidelberg este un pas major înainte pe calea rezolvării misterului maselor de neutrini.

(Fluierul)