Το πρότυπο μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής είναι ένα από τα πιο εντυπωσιακά επιτεύγματα της επιστήμης. Είναι μια αυστηρή, ακριβής προσπάθεια κατανόησης και περιγραφής τριών από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του Σύμπαντος: η ηλεκτρομαγνητική δύναμη, η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη. Η βαρύτητα απουσιάζει επειδή μέχρι στιγμής, η προσαρμογή της στο πρότυπο μοντέλο ήταν εξαιρετικά δύσκολη.
Αλλά υπάρχουν μερικές τρύπες στο πρότυπο μοντέλο, και μία από αυτές περιλαμβάνει τη μάζα του νετρίνου.
Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε για πρώτη φορά το 1930, στη συνέχεια ανιχνεύθηκε το 1956. Έκτοτε, οι φυσικοί έμαθαν ότι υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων και είναι άφθονοι και αόριστοι. Μόνο ειδικές εγκαταστάσεις μπορούν να τις εντοπίσουν επειδή σπάνια αλληλεπιδρούν με άλλα θέματα. Υπάρχουν πολλές πηγές για αυτές, και μερικές από αυτές έχουν περάσει από το διάστημα από τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά τα περισσότερα από τα νετρίνα κοντά στη Γη προέρχονται από τον Ήλιο.
Το πρότυπο μοντέλο προβλέπει ότι τα νετρίνα δεν έχουν μάζα, όπως τα φωτόνια. Αλλά οι φυσικοί έχουν βρει ότι οι τρεις τύποι νετρίνων μπορούν να μεταμορφωθούν ο ένας στον άλλο καθώς κινούνται. Σύμφωνα με τους φυσικούς, θα πρέπει να μπορούν να το κάνουν μόνο εάν έχουν μάζα.
Πόση μάζα; Αυτή είναι μια ερώτηση που κάνει τους φυσικούς σωματιδίων. Και η απάντηση σε αυτήν την ερώτηση είναι μέρος αυτού που ωθεί τους επιστήμονες στο KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
«Αυτά τα ευρήματα από τη συνεργασία KATRIN μειώνουν το προηγούμενο εύρος μάζας για το νετρίνο κατά έναν παράγοντα δύο…»
HAMISH ROBERTSON, KATRIN SCIENTIST και PROFESSOR EMERITUS OF PHYSICS ΣΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ WASHINGTON.
Μια ομάδα ερευνητών έχει βρει μέρος μιας απάντησης σε αυτό: η μάζα του νετρίνου δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 1,1 ηλεκτρόνια βολτ (eV.) Πρόκειται για μείωση του ανώτατου ορίου της μάζας ενός νετρίνου κατά σχεδόν 1 eV. από 2 eV έως 1,1 eV. Με βάση τα προηγούμενα πειράματα που έθεσαν το κατώτερο όριο μάζας στα 0,02 eV, αυτοί οι ερευνητές έχουν θέσει ένα νέο εύρος για τη μάζα του νετρίνου. Δείχνει ότι ένα νετρίνο έχει λιγότερη από 1 / 500.000 η μάζα ενός ηλεκτρονίου. Αυτό είναι ένα σημαντικό βήμα στην πρόοδο του Standard Model.
«Η γνώση της μάζας του νετρίνου θα επιτρέψει στους επιστήμονες να απαντήσουν σε θεμελιώδεις ερωτήσεις στην κοσμολογία, την αστροφυσική και τη φυσική των σωματιδίων…»
Hamish Robertson, επιστήμονας του KATRIN και ομότιμος καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον.
Οι ερευνητές πίσω από αυτό το έργο προέρχονται από 20 διαφορετικά ερευνητικά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο. Συνεργάζονται με την KATRIN στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης στη Γερμανία. Η εγκατάσταση KATRIN διαθέτει ένα φασματόμετρο υψηλής ανάλυσης 10 μέτρων που του επιτρέπει να μετρά τις ενέργειες ηλεκτρονίων με μεγάλη ακρίβεια.
Η ομάδα KATRIN παρουσίασε τα αποτελέσματά τους στο συνέδριο Topics in Astroparticle and Underground Physics 2019 στο Toyama της Ιαπωνίας, στις 13 Σεπτεμβρίου.
«Η γνώση της μάζας του νετρίνου θα επιτρέψει στους επιστήμονες να απαντήσουν σε θεμελιώδεις ερωτήσεις στην κοσμολογία, την αστροφυσική και τη σωματιδιακή φυσική, όπως πώς εξελίχθηκε το σύμπαν ή ποια φυσική υπάρχει πέρα από το πρότυπο μοντέλο», δήλωσε ο Hamish Robertson, επιστήμονας του KATRIN και ομότιμος καθηγητής της φυσικής. στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον. "Αυτά τα ευρήματα από τη συνεργασία KATRIN μειώνουν το προηγούμενο εύρος μάζας για το νετρίνο κατά έναν παράγοντα δύο, θέτουν πιο αυστηρά κριτήρια για το ποια είναι πραγματικά η μάζα του νετρίνου και παρέχουν μια πορεία προς τα εμπρός για να μετρηθεί η τιμή του οριστικά."
Τα νετρίνα είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστούν, παρόλο που είναι άφθονα. Μόνο τα φωτόνια είναι πιο άφθονα. Όπως λέει το όνομά τους, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Αυτό καθιστά την ανίχνευσή τους εξαιρετικά δύσκολη. Υπάρχουν παρατηρητήρια νετρίνων βυθισμένα βαθιά στον πάγο της Ανταρκτικής και επίσης βαθιά σε εγκαταλελειμμένα ορυχεία. Συχνά χρησιμοποιούν βαρύ νερό για να προσελκύσουν τα νετρίνα να αλληλεπιδράσουν. Όταν ένα νετρίνο αλληλεπιδρά, παράγει ακτινοβολία Cherenkov που μπορεί να μετρηθεί.
«Εάν γεμίσατε το ηλιακό σύστημα με μόλυβδο έως και πενήντα φορές πέρα από την τροχιά του Πλούτωνα, περίπου τα μισά από τα νετρίνα που εκπέμπονται από τον ήλιο θα αφήσουν ακόμα το ηλιακό σύστημα χωρίς να αλληλεπιδράσουν με αυτό το καλώδιο», δήλωσε ο Robertson.
Η ιστορία του νετρίνου εξελίχθηκε με την πάροδο του χρόνου με πειράματα όπως το KATRIN. Αρχικά, το πρότυπο μοντέλο προέβλεπε ότι τα νετρίνα δεν θα είχαν μάζα. Αλλά το 2001, δύο διαφορετικοί ανιχνευτές έδειξαν ότι η μάζα τους είναι μηδενική. Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2015 απονεμήθηκε σε δύο επιστήμονες που έδειξαν ότι τα νετρίνα μπορούν να ταλαντευθούν μεταξύ των τύπων, δείχνοντας ότι έχουν μάζα.
Η εγκατάσταση KATRIN μετρά έμμεσα τη μάζα των νετρίνων. Λειτουργεί παρακολουθώντας την αποσύνθεση του τριτίου, η οποία είναι μια εξαιρετικά ραδιενεργή μορφή υδρογόνου. Καθώς το ισότοπο τριτίου αποσυντίθεται, εκπέμπει ζεύγη σωματιδίων: ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντι-νετρίνο. Μαζί, μοιράζονται 18.560 eV ενέργειας.
Στις περισσότερες περιπτώσεις, το ζεύγος σωματιδίων μοιράζεται το 18.560 eV εξίσου. Αλλά σε σπάνιες περιπτώσεις, τα ηλεκτρόνια γουρούνια το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας, αφήνοντας το νετρίνο με πολύ λίγο. Αυτές οι σπάνιες περιπτώσεις είναι οι επιστήμονες που επικεντρώνονται.
Λόγω του E = mC2, η μικρή ποσότητα ενέργειας που απομένει για το νετρίνο σε αυτές τις σπάνιες περιπτώσεις πρέπει επίσης να ισούται με τη μάζα του. Επειδή το KATRIN έχει τη δύναμη να μετρήσει με ακρίβεια το ηλεκτρόνιο, είναι επίσης σε θέση να προσδιορίσει τη μάζα του νετρίνου.
«Η επίλυση της μάζας του νετρίνου θα μας οδηγήσει σε έναν γενναίο νέο κόσμο για τη δημιουργία ενός νέου Πρότυπου Μοντέλου», δήλωσε ο Peter Doe, καθηγητής φυσικής από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, ο οποίος εργάζεται στο KATRIN.
Αυτό το νέο πρότυπο μοντέλο που αναφέρει η Doe μπορεί να έχει τη δυνατότητα να εξηγεί τη σκοτεινή ύλη, η οποία αποτελεί το μεγαλύτερο μέρος της ύλης στο Σύμπαν. Προσπάθειες όπως το KATRIN μπορεί μια μέρα να ανιχνεύσουν έναν άλλο, τέταρτο τύπο νετρίνου που ονομάζεται στείρο νετρίνο. Μέχρι στιγμής αυτός ο τέταρτος τύπος είναι μόνο εικασία, αλλά είναι υποψήφιος για σκοτεινή ύλη.
«Τα νετρίνα είναι περίεργα μικρά σωματίδια», είπε ο Ντου. «Είναι τόσο πανταχού παρόντες και υπάρχουν τόσα πολλά που μπορούμε να μάθουμε μόλις προσδιορίσουμε αυτήν την αξία».
Η απόδειξη ότι τα νετρίνα έχουν μάζα και περιορίζουν το εύρος αυτής της μάζας, είναι και τα δύο σημαντικά. Όμως οι φυσικοί σωματιδίων δεν ξέρουν πώς κερδίζουν τη μάζα τους. Είναι πιθανώς διαφορετικό από το πώς κερδίζουν άλλα σωματίδια.
Αποτελέσματα όπως αυτό από το KATRIN βοηθούν στο κλείσιμο μιας τρύπας στο πρότυπο μοντέλο και στη συνολική κατανόηση του σύμπαντος. Το Σύμπαν είναι γεμάτο από αρχαία νετρίνα από τη Μεγάλη Έκρηξη και κάθε πρόοδος στη μάζα του νετρίνου μας βοηθά να κατανοήσουμε πώς σχηματίστηκε και εξελίχθηκε το Σύμπαν.
Περισσότερο:
- Δελτίο Τύπου: Το KATRIN κόβει τη μέση εκτίμηση για το απατηλό νετρίνο στο μισό
- Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης: KATRIN
- CERN: Το πρότυπο μοντέλο
- Περιοδικό Symmetry: Πέντε μυστήρια που δεν μπορεί να εξηγήσει το πρότυπο μοντέλο
- Ειδήσεις MIT: 3Q: Οι επιστήμονες ξυρίζουν το μισό της μάζας των νετρίνων
