Πόσο βαρύ είναι ένα νετρίνο; Η κούρσα για τη ζύγιση μυστηριωδών σωματιδίων θερμαίνεται

Οι φυσικοί θέλουν να εντείνουν τις προσπάθειές τους να ζυγίσουν τα νετρίνα, τα οποία είναι ίσως τα πιο μυστηριώδη από όλα τα στοιχειώδη σωματίδια.

Επί του παρόντος, μόνο ένα πείραμα στον κόσμο έχει την ευκαιρία να κάνει μια τέτοια μέτρηση, ο τεράστιος, σε σχήμα μπαλονιού, ανιχνευτής τριτίου νετρίνο της Καρλσρούης (KATRIN) στη Γερμανία. Ωστόσο, ερευνητές σε μερικά άλλα εργαστήρια έχουν αναπτύξει εναλλακτικές προσεγγίσεις και συγκεντρώθηκαν αυτή την εβδομάδα στη Γένοβα της Ιταλίας, για να συγκρίνουν σημειώσεις σε ένα εργαστήριο που ονομάζεται NuMass 2024.

Τρεις ομάδες λένε ότι έχουν δημιουργήσει πειράματα μικρής κλίμακας που δείχνουν ότι οι τεχνικές τους μπορούν να λειτουργήσουν. Μια άλλη ομάδα εργάζεται σε μια πιθανώς πιο ισχυρή προσέγγιση. Οι ερευνητές ελπίζουν να κατασκευάσουν διευρυμένες εκδόσεις αυτών των συσκευών που θα μπορούσαν τελικά να ανταγωνιστούν ή ακόμα και να βελτιώσουν τη συσκευή της Catherine.

Οι παρατηρήσεις της κοσμικής δομής στις μεγαλύτερες κλίμακες δείχνουν ότι τα νετρίνα είναι πολύ ελαφριά, με μάζα το πολύ 0,12 ηλεκτρονιοβολτ, τέσσερα εκατομμύρια φορές μικρότερη από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Εάν αυτές οι εκτιμήσεις είναι σωστές, θα έβαζαν την πραγματική μάζα του νετρίνου πέρα ​​από την εμβέλεια της Catherine. «Ανησυχούμε ότι η Catherine, παρόλο που είναι ένα υπέροχο πείραμα, μπορεί να μην είναι σε θέση να προσδιορίσει τη μάζα», λέει ο φυσικός Matteo Borghese από το Πανεπιστήμιο του Milano-Bicocca στην Ιταλία, ο οποίος παρουσίασε την πρόοδο της ομάδας του σε μια εναλλακτική πειραματική τεχνική στο το εργαστήριο. . «Πρέπει να είμαστε προετοιμασμένοι».

Μικρά μπλοκ

Για να ζυγίσουν τα νετρίνα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν διάσπαση ραδιοϊσοτόπων. Τα νετρίνα που προκύπτουν από τέτοιες διασπάσεις δεν ανιχνεύονται, αλλά η μάζα τους μπορεί να υπολογιστεί μετρώντας την ενέργεια των υπόλοιπων σωματιδίων.

Η Catherine χρησιμοποιεί τη «βήτα διάσπαση» του τριτίου, ένα βαρύ, ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου. Όταν το τρίτιο διασπάται, ένα από τα τρία νετρόνια στον πυρήνα του μετατρέπεται σε πρωτόνιο, απελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο (που ονομάζεται επίσης σωματίδιο βήτα) και ένα νετρίνο (ή, για την ακρίβεια, ένα σωματίδιο της ίδιας μάζας που ονομάζεται αντινετρίνο). Η διάσπαση απελευθερώνει μια γνωστή συνολική ποσότητα ενέργειας και το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας μεταφέρεται από το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο, με τη μορφή της κινητικής ενέργειας καθώς και της ενέργειας που παγιδεύεται στις μάζες των δύο μορίων. Ένα νετρίνο μπορεί να βγει με μια σειρά από πιθανές ενέργειες, αλλά πρέπει τουλάχιστον να φέρει την ποσότητα που έχει στη μάζα του. Η Catherine στοχεύει να εκτιμήσει αυτό το κατώτερο όριο μετρώντας το πλήρες φάσμα των ενεργειών των αντίστοιχων ηλεκτρονίων, το οποίο μπορεί να προσδιορίσει ανάλογα με το πού σταματούν τα ηλεκτρόνια στη δομή σε σχήμα ζέπελιν.

Η πιο ασυνήθιστη εικόνα του Γαλαξία μας: χαρτογράφηση του γαλαξία με νετρίνα

Μέχρι στιγμής, το καλύτερο αποτέλεσμα της Catherine ήταν να καθορίσει ένα ανώτατο όριο 0,8 eV για τη μάζα των νετρίνων και η καλύτερη δυνατή ευαισθησία είναι 0,2 eV. Έτσι, όταν η Catherine Collaboration κυκλοφορήσει τα τελικά της αποτελέσματα αργότερα αυτό το έτος, θα μπορεί να κάνει μια συγκεκριμένη μέτρηση μόνο εάν η μάζα είναι μεταξύ 0,2 και 0,8 eV. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα θα ήταν σε πλήρη αντίθεση με τις κοσμολογικές εκτιμήσεις, λέει η Olga Mena, μια θεωρητική σωματιδιακή φυσική στο Ινστιτούτο Σωματιδιακής Φυσικής στη Βαλένθια της Ισπανίας. Για να είναι η μάζα ενός νετρίνου στο εύρος που μπορεί να μετρήσει η Catherine θα απαιτούσε «εξωτική, μη τετριμμένη φυσική», λέει ο Mina, όπως άγνωστες μέχρι τώρα θεμελιώδεις δυνάμεις που δρουν στα νετρίνα ή αλλαγές στη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν.

Σύλληψη ηλεκτρονίων

Οι φυσικοί θέλουν να αναπτύξουν τεχνικές που θα μπορούσαν τελικά να ωθήσουν την ευαισθησία σε ελαφρύτερες μάζες, καθώς και να παρέχουν διασταυρώσεις μεταξύ των πειραμάτων. Το εργαστήριο NuMass έρχεται σε μια ενδιαφέρουσα στιγμή στο πεδίο, λέει η φυσικός Loredana Gastaldo του Πανεπιστημίου της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία, επειδή ορισμένες από αυτές τις εναλλακτικές λύσεις έχουν πλέον ωριμάσει σε σημείο που μπορούν να μετατραπούν σε ολοκληρωμένα πειράματα. Μια επιλογή εκμεταλλεύεται τη διάσπαση του ολμίου-163, ενός ραδιενεργού ισοτόπου του στοιχείου σπάνιας γαίας ολμίου.

Σε αντίθεση με το τρίτιο, το χόλμιο-163 δεν υφίσταται βήτα διάσπαση. Αντίθετα, ένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου «συλλαμβάνεται» από ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του. Αυτό μετατρέπει το πρωτόνιο σε νετρόνιο, απελευθερώνοντας νετρίνα και φωτόνια. Το συλλαμβανόμενο ηλεκτρόνιο αφήνει πίσω του ένα κενό στη διαμόρφωση ηλεκτρονίων του ατόμου και τα άλλα ηλεκτρόνια αναδιατάσσονται γρήγορα, απελευθερώνοντας ενέργεια. Εάν το αρχικό άτομο ολμίου ήταν ενσωματωμένο σε ένα υλικό, όλη αυτή η ενέργεια θα παρέμενε παγιδευμένη, παράγοντας μια μικρή ποσότητα θερμότητας που θα μπορούσε να μετρηθεί με έναν αρκετά ευαίσθητο ανιχνευτή.

Πόσο ελαφρύ είναι ένα νετρίνο; Η απάντηση είναι πιο κοντά από ποτέ

Η ιδέα της χρήσης αυτής της προσέγγισης, που ονομάζεται παγίδευση ηλεκτρονίων, ήρθε για πρώτη φορά στον Álvaro de Rugola, έναν θεωρητικό φυσικό στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο φυσικής σωματιδίων έξω από τη Γενεύη της Ελβετίας, ενώ ζούσε στο Ρίο ντε Τζανέιρο της Βραζιλίας το 1981. παραλία στην Κοπακαμπάνα, λέει, όταν ξαφνικά εμπνεύστηκε κοιτάζοντας το σχήμα του γειτονικού βουνού Sugarloaf, το οποίο έχει το «σχήμα ενός φάσματος σύλληψης ηλεκτρονίων» (ένα γράφημα που δείχνει το εύρος των ενεργειών που μπορεί να μετρηθεί με την υπολειπόμενη θερμότητα από φθορά).

Οι φυσικοί εγκατέλειψαν την ιδέα μετά από κάποιες αρχικές προσπάθειες, αλλά επαναλήφθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1990 από τον Gastaldo και έναν άλλο φυσικό, τον Angelo Nociotti, στο Milan-Bicocca. Αν και και οι δύο ομάδες ήταν σε μεγάλο βαθμό υποχρηματοδοτούμενες και υποστελεχωμένες, λειτούργησαν «ηρωικά» και υποτιμήθηκαν για πολλά χρόνια, λέει ο De Rugola.

Και οι δύο ομάδες ακολουθούν διαφορετική προσέγγιση για την έγχυση ολμίου-163 σε θραύσματα μετάλλου που είναι ενσωματωμένα σε ευαίσθητους ανιχνευτές θερμότητας που διατηρούνται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Και οι δύο ομάδες έδειξαν ότι μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια με υψηλή ακρίβεια. Το 2019, η Gastaldo και οι συνεργάτες της έθεσαν ένα ανώτατο όριο 150 eV στη μάζα των νετρίνων και επί του παρόντος εργάζονται για να το βελτιώσουν κατά 10. «Μπορούμε τώρα να δείξουμε ότι το holmium είναι επίσης στο παιχνίδι». λέει ο Gastaldo.

Εναλλακτικές μέθοδοι

Μια άλλη προσέγγιση περιγράφηκε στο εργαστήριο από την Juliana Stachorska, φυσική στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (MIT) στο Κέμπριτζ. Σε ένα πείραμα που ονομάζεται Project 8, αυτή και οι συνάδελφοί της έβαλαν αέριο τρίτιο χαμηλής πυκνότητας σε ένα μαγνητικό μπουκάλι, το οποίο παγιδεύει ηλεκτρόνια από τη διάσπαση βήτα χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Σε ένα έργο που δημοσιεύτηκε πέρυσι¹Οι ερευνητές έδειξαν ότι μπορούσαν να μετρήσουν την ενέργεια των ηλεκτρονίων με υψηλή ακρίβεια αναλύοντας τα ραδιοκύματα. Η ομάδα σχεδιάζει να στραφεί στο ατομικό τρίτιο, με το οποίο είναι πιο δύσκολο να εργαστεί κανείς, αλλά θα εξαλείψει ορισμένες από τις πειραματικές αβεβαιότητες που έχουν περιορίσει την ακρίβεια των προηγούμενων πειραμάτων, συμπεριλαμβανομένου του Catherine's. «Κανείς δεν είχε φτιάξει ποτέ ατομικό τρίτιο πριν», λέει ο Stachurska.

Ο Joseph Formaggio, φυσικός του MIT και εκπρόσωπος του Project 8, λέει ότι ελπίζει να κατασκευάσει μια μέρα μια μεγάλης κλίμακας έκδοση του πειράματος που θα μπορεί να μειώσει την ευαισθησία στα 0,04 eV, αρκετά μικρή για να ξεπεράσει τα αυστηρά όρια των κοσμολογικών πειραμάτων.

Ακόμη και στο μέλλον, ένα προτεινόμενο πείραμα που ονομάζεται Πτολεμαίος σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει στερεό, αντί αέριο, τρίτιο συνδεδεμένο σε μεμβράνες ενός ατομικά λεπτού υλικού άνθρακα που ονομάζεται γραφένιο. Αυτό θα επέτρεπε στους ερευνητές να συσκευάσουν μεγαλύτερη ποσότητα τριτίου και να αποκτήσουν μεγαλύτερο αριθμό ραδιενεργών εκπομπών.

Προς το παρόν, η κοινότητα περιμένει με ανυπομονησία τα τελικά αποτελέσματα από την Catherine, λέει ο Borgesi. Ακόμη και αφού αυτό το πείραμα έχει φτάσει στα όρια της ευαισθησίας του σχεδιασμού, οι συμμετέχοντες ερευνητές σχεδιάζουν να προχωρήσουν και να το αναπτύξουν. Το κύριο μήνυμά του στο εργαστήριο ήταν ότι «η Catherine δεν θα κλείσει μετά την τρέχουσα εκστρατεία», λέει ο Magnus Schlosser, φυσικός στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης.