Μια μεγάλη μηχανή καταμέτρησης ηλεκτρονίων έχει εμφανίσει έμμεσα μια μέτρηση του πιο ολισθηρότερου γνωστού σωματιδίου στη φυσική - και πρόσθεσε τα στοιχεία για τη σκοτεινή ύλη.
Αυτή η μέτρηση είναι το πρώτο αποτέλεσμα μιας διεθνούς προσπάθειας να μετρηθεί η μάζα των νετρίνων - σωματίδια που γεμίζουν το σύμπαν μας και καθορίζουν τη δομή του, αλλά τα οποία ελάχιστα μπορούμε να ανιχνεύσουμε. Τα νετρίνα, σύμφωνα με το γερμανικό πείραμα Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), δεν έχουν πάνω από 0,0002% τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Αυτός ο αριθμός είναι τόσο χαμηλός που ακόμα και αν καταγράψαμε όλα τα νετρίνα στο σύμπαν, δεν μπορούσαν να εξηγήσουν τη λείπουν μάζα του. Και αυτό το γεγονός προσθέτει στο σωρό των αποδεικτικών στοιχείων για την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης.
Το KATRIN είναι βασικά ένα πολύ μεγάλο μηχάνημα για την καταμέτρηση των υπερ-υψηλής ενέργειας ηλεκτρονίων που έσπασαν από ένα δείγμα τριτίου - μια ραδιενεργή μορφή υδρογόνου. με ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια σε κάθε άτομο. Το τρίτιο είναι ασταθές και τα νετρόνια του αποσυντίθενται σε ζεύγη ηλεκτρονίων-νετρινοειδών. Ο ΚΑΤΡΙΝ ψάχνει τα ηλεκτρόνια και όχι τα νετρίνα, επειδή τα νετρίνα είναι πολύ λιποθυμημένα για να μετρήσουν με ακρίβεια. Και το μηχάνημα χρησιμοποιεί αέριο τρίτιου, σύμφωνα με τον Hamish Robertson, επιστήμονα του KATRIN και επίμονο καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, επειδή είναι η μόνη πηγή ηλεκτρόνου-νετρίνο αρκετά απλή για να πάρει μια καλή μέτρηση μάζας.
Τα νετρίνα είναι σχεδόν αδύνατο να μετρήσουν με ακρίβεια μόνοι τους, επειδή έχουν τόσο λίγη μάζα και έχουν την τάση να ξεφεύγουν από τους ανιχνευτές χωρίς να αλληλεπιδρούν μαζί τους. Έτσι, για να υπολογίσουμε τη μάζα των νετρίνων, ο Robertson είπε στη Live Science, ο KATRIN μετράει τα πιο ενεργητικά ηλεκτρόνια και εργάζεται προς τα πίσω από αυτόν τον αριθμό για να συναγάγει τη μάζα του νετρίνο. Τα πρώτα αποτελέσματα από το KATRIN έχουν ανακοινωθεί και οι ερευνητές κατέληξαν σε σύντομο συμπέρασμα: Τα νετρίνα έχουν μάζα όχι μεγαλύτερη από 1,1 ηλεκτρονιο βολτ (eV).
Τα ηλεκτρόνια βολτ είναι οι μονάδες μάζας και ενέργειας που χρησιμοποιούν οι φυσικοί όταν μιλάμε για τα μικρότερα πράγματα στο σύμπαν. (Στην κλίμακα των θεμελιωδών σωματιδίων, η ενέργεια και η μάζα μετρώνται χρησιμοποιώντας τις ίδιες μονάδες και τα ζεύγη νετρίνων-ηλεκτρονίων πρέπει να έχουν συνδυασμένες ενεργειακές στάθμες ισοδύναμες με το νετρόνιο πηγής τους.) Το μποζόνιο Higgs, το οποίο προσδίδει μάζα σε άλλα σωματίδια, έχει μάζα 125 δισ. ευρώ. Τα πρωτόνια, τα σωματίδια στο κέντρο των ατόμων, έχουν μάζες περίπου 938 εκατομμυρίων eV. Τα ηλεκτρόνια είναι μόλις 510.000 eV. Αυτό το πείραμα επιβεβαιώνει ότι τα νετρίνα είναι απίστευτα μικροσκοπικά.
Το KATRIN είναι ένα πολύ μεγάλο μηχάνημα, αλλά οι μέθοδοι του είναι απλές, είπε ο Robertson. Ο πρώτος θάλαμος της συσκευής είναι γεμάτος αεριώδες τρίτιο, του οποίου τα νετρόνια αποσυντίθενται φυσικά σε ηλεκτρόνια και νετρίνα. Οι φυσικοί ήδη γνωρίζουν πόση ενέργεια εμπλέκεται όταν διασπάται ένα νετρόνιο. Κάποια από την ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα του νετρίνο και της μάζας του ηλεκτρονίου. Και τα υπόλοιπα χύνεται σε αυτά τα νεοσυσταθέντα σωματίδια, που σχεδόν χονδρικά υπαγορεύουν πόσο γρήγορα κινούνται. Συνήθως, αυτή η επιπλέον ενέργεια κατανέμεται αρκετά ομοιόμορφα μεταξύ του ηλεκτρονίου και του νετρίνου. Αλλά μερικές φορές το μεγαλύτερο μέρος ή το σύνολο της υπόλοιπης ενέργειας πέφτει σε ένα σωματίδιο ή άλλο.
Σε αυτή την περίπτωση, όλη η ενέργεια που απομένει μετά το σχηματισμό του νετρίνο και του ηλεκτρονίου πέφτει στον ηλεκτρονικό εταίρο, σχηματίζοντας ένα υπέρ-υψηλής ενέργειας ηλεκτρόνιο, είπε ο Ρόμπερτσον. Αυτό σημαίνει ότι η μάζα του νετρίνα μπορεί να υπολογιστεί: Είναι η ενέργεια που εμπλέκεται στην αποσύνθεση νετρονίων μείον τη μάζα του ηλεκτρονίου και τη μέγιστη ενεργειακή στάθμη των ηλεκτρονίων στο πείραμα.
Οι φυσικοί που σχεδίασαν το πείραμα δεν προσπάθησαν να μετρήσουν τα νετρίνα. αυτά επιτρέπεται να ξεφύγουν από το μηχάνημα. Αντ 'αυτού, το πείραμα διοχετεύει τα ηλεκτρόνια σε ένα γιγαντιαίο θάλαμο κενού, που ονομάζεται φασματόμετρο. Ένα ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί τότε ένα πολύ ισχυρό μαγνητικό πεδίο που μπορούν να περάσουν μόνο τα ηλεκτρόνια με την υψηλότερη ενέργεια. Στο άλλο άκρο αυτού του θαλάμου είναι μια συσκευή που μετράει πόσες ηλεκτρόνες το κάνουν μέσω του πεδίου. Καθώς το KATRIN αυξάνει αργά τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου, ο Robertson είπε ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που διαπερνούν συρρικνώνονται - σχεδόν σαν να έπεφτε μέχρι το μηδέν. Αλλά στο τέλος αυτού του φάσματος των επιπέδων ενέργειας των ηλεκτρονίων, κάτι συμβαίνει.
"Το φάσμα πεθαίνει ξαφνικά, προτού φτάσετε στο τελικό σημείο, επειδή η μάζα του ουδέτερου δεν μπορεί να κλαπεί από το ηλεκτρόνιο. Πρέπει πάντοτε να παραμείνει πίσω για τα νετρίνα", δήλωσε ο Ρόμπερτσον. Η μάζα του νετρίνα πρέπει να είναι μικρότερη από ότι η ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που λείπει από το άκρο του φάσματος. Και μετά από αρκετές εβδομάδες χρόνου εκτέλεσης, οι πειραματιστές μείωσαν αυτόν τον αριθμό σε περίπου το μισό από τον αριθμό που είχαν προηγουμένως γνωρίσει οι φυσικοί.
Η ιδέα ότι τα νετρίνα έχουν μάζα καθόλου είναι επαναστατική. το Μοντέλο Μοντέλο, η θεωρία της φυσικής του σκελετού που περιγράφει τον υποατομικό κόσμο, κάποτε επέμεινε ότι τα νετρίνα δεν έχουν καθόλου μάζα, τόνισε ο Robertson. Ήδη από τη δεκαετία του '80, οι Ρώσοι και Αμερικανοί ερευνητές προσπαθούσαν να μετρήσουν τις μάζες νετρίνων, αλλά τα αποτελέσματά τους ήταν προβληματικά και ανακριβή. Σε ένα σημείο, οι Ρώσοι ερευνητές προσκόλλησαν τη μάζα του νετρίνο σε ακριβώς 30 eV - έναν ωραίο αριθμό που θα είχε αποκαλύψει τα νετρίνα ως τον ελλιπή σύνδεσμο που θα εξηγούσε τη μεγάλη βαρυτική δομή του σύμπαντος, γεμίζοντας όλη τη λείπει μάζα - που αποδείχτηκε λάθος.
Ο Ρόμπερτσον και οι συνάδελφοί του άρχισαν αρχικά να δουλεύουν με αεριώδες τρίτιο, αφού συνειδητοποίησαν ότι η ελαφρώς ραδιενεργή ουσία προσέφερε την πιο ακριβή πηγή καταστροφής νετρονίων διαθέσιμη στην επιστήμη.
"Αυτή ήταν μια μακρά έρευνα," είπε ο Robertson. "Η ρωσική μέτρηση των 30 eV ήταν πολύ συναρπαστική επειδή θα έκλεινε το σύμπαν με βαρύτητα και είναι ακόμα συναρπαστικό γι 'αυτό το λόγο οι Neutrinos διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην κοσμολογία και έχουν πιθανώς διαμορφώσει τη δομή μεγάλης κλίμακας του σύμπαντος".
Όλα αυτά τα αχνά σωματίδια που πετούν γύρω από το ρυμουλκό σε όλα τα άλλα με τη βαρύτητά τους, και παίρνουν και δίνουν ενέργεια από όλα τα άλλα θέματα. Παρόλο που ο αριθμός των μαζών υποβαθμίζεται, ο Robertson είπε ότι ο ακριβής ρόλος που παίζουν αυτά τα μικρά σωματίδια παίρνει πιο περίπλοκο.
Ο αριθμός 1,1 eV, δήλωσε ο ερευνητής, είναι ενδιαφέρον επειδή είναι ο πρώτος πειραματικά προερχόμενος αριθμός μάζας νετρινοειδούς που δεν είναι αρκετά υψηλός ώστε να εξηγεί τη δομή του υπόλοιπου σύμπαντος από μόνο του.
"Υπάρχει θέμα που δεν είναι κάτι που ξέρουμε ακόμα, υπάρχει αυτή η σκοτεινή ύλη", και δεν μπορεί να αποτελείται από τα νετρίνα που γνωρίζουμε, είπε.
Έτσι, αυτός ο μικρός αριθμός από ένα μεγάλο θάλαμο κενού στη Γερμανία προσθέτει τουλάχιστον στο σωρό των αποδεικτικών στοιχείων ότι το σύμπαν έχει στοιχεία που η φυσική εξακολουθεί να μην καταλαβαίνει.
