Το πείραμα περιορίζει τη μάζα ενός νετρίνου με πρωτοφανή ακρίβεια

Το διεθνές Πείραμα Νετρίνων TRItium KArlsruhe (KATRIN), που βρίσκεται στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT), έχει σπάσει ένα σημαντικό φράγμα στη φυσική των νετρίνων που σχετίζεται με τη σωματιδιακή φυσική και την κοσμολογία. Με βάση τα στοιχεία που δημοσιεύονται στο περιοδικό Φυσική της Φύσης, ένα νέο ανώτερο όριο 0,8 ηλεκτρον βολτ (eV) λήφθηκε για τη μάζα των νετρίνων. Αυτή η πρώτη κλίμακα στις κλίμακες μάζας νετρίνων sub-eV με μια εργαστηριακή μέθοδο ανεξάρτητη από μοντέλο επιτρέπει στην KATRIN να περιορίσει τη μάζα αυτών των «ελαφρών βαρών του σύμπαντος» με πρωτοφανή ακρίβεια.

Τα νετρίνα είναι αναμφισβήτητα τα πιο εκπληκτικά στοιχειώδη σωματίδια στον κόσμο μας. Στην κοσμολογία παίζουν σημαντικό ρόλο στο σχηματισμό δομών μεγάλης κλίμακας, ενώ βρίσκονται μέσα Σωματιδιακή φυσική Η μικρή αλλά μη μηδενική μάζα τους τα διακρίνει μεταξύ τους, υποδεικνύοντας το νέο Η φυσικη Φαινόμενα που ξεπερνούν τις τρέχουσες θεωρίες μας. Χωρίς τη μέτρηση της κλίμακας μάζας των νετρίνων, η κατανόησή μας για το σύμπαν θα παραμείνει ελλιπής.

Αυτή είναι η πρόκληση που αντιμετωπίζει το Διεθνές Πείραμα KATRIN στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT) με εταίρους από έξι χώρες ως τον πιο ευαίσθητο μετρητή νετρίνας στον κόσμο. Χρησιμοποιεί τη βήτα διάσπαση του τριτίου, ένα ασταθές ισότοπο υδρογόνου, για να προσδιορίσει τη μάζα ενός νετρίνου μέσω της κατανομής ενέργειας των ηλεκτρονίων που απελευθερώνονται στη διαδικασία διάσπασης. Αυτό απαιτεί μεγάλη τεχνική προσπάθεια: το πείραμα των 70 μέτρων περιλαμβάνει την πιο πυκνή πηγή τριτίου στον κόσμο καθώς και ένα γιγάντιο φασματόμετρο για τη μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων διάσπασης με πρωτοφανή ακρίβεια.

Η υψηλή ποιότητα των δεδομένων μετά την έναρξη των επιστημονικών μετρήσεων το 2019 βελτιώνεται συνεχώς τα τελευταία δύο χρόνια. «Το KATRIN είναι ένα πείραμα με τις υψηλότερες τεχνολογικές απαιτήσεις και τώρα λειτουργεί σαν το τέλειο ρολόι», ενθουσιάζει ο Guido Drexlin (KIT), επικεφαλής του έργου και ένας από τους ομιλητές που συμμετείχαν στο πείραμα. Ένας άλλος συν-ομιλητής, ο Christian Weinheimer (Πανεπιστήμιο του Münster), προσθέτει ότι «η αύξηση του ρυθμού σήματος και η μείωση του ρυθμού παρασκηνίου ήταν κρίσιμες για το νέο αποτέλεσμα».

ανάλυση δεδομένων

Μια εις βάθος ανάλυση αυτών των δεδομένων απαιτούσε τα πάντα από τη διεθνή ομάδα ανάλυσης με επικεφαλής τους συντονιστές της ομάδας, Susan Mertens (Ινστιτούτο Max Planck για τη Φυσική και Tu Munich) και Magnus Schlosser (KIT). Κάθε αποτέλεσμα, όσο μικρό κι αν ήταν, έπρεπε να διερευνηθεί λεπτομερώς. “Μόνο με αυτόν τον επίπονο και περίπλοκο τρόπο μπορέσαμε να αποκλείσουμε τη συστηματική μεροληψία του αποτελέσματός μας λόγω διαστρεβλωτικών διαδικασιών. Είμαστε ιδιαίτερα περήφανοι για την ομάδα ανάλυσής μας, η οποία αντιμετώπισε επιτυχώς αυτήν την τεράστια πρόκληση με μεγάλη δέσμευση”, είπαν οι συντονιστές της ανάλυσης . .

ο πειραματικά δεδομένα Από το πρώτο έτος μετρήσεων και μοντελοποίησης με βάση μια μικρή μάζα νετρίνων που εξαφανίζεται που ταιριάζει ακριβώς: από αυτό, μπορεί να προσδιοριστεί ένα νέο ανώτατο όριο για μάζα νετρίνων 0,8 eV (Φυσική της ΦύσηςΙούλιος 2021). Αυτή είναι η πρώτη φορά που ένα πείραμα μάζας νετρίνων εισέρχεται απευθείας στην κοσμική, σωματιδιακή και φυσική περιοχή μιας υπομάζας ενδιαφέροντος, καθώς υποπτεύεται ότι είναι η κύρια κλίμακα μάζας για τα νετρίνα. «Η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής είναι ενθουσιασμένη που το KATRIN έσπασε το φράγμα του 1-eV», λέει ο ειδικός στα νετρίνα John Wilkerson (Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας, Πρόεδρος Εκτελεστικού Συμβουλίου).

Η Susan Mertens εξηγεί την πορεία προς το νέο ρεκόρ: «Η ομάδα μας στο MPP στο Μόναχο έχει αναπτύξει μια νέα μέθοδο ανάλυσης για το KATRIN που έχει βελτιστοποιηθεί ειδικά για τις απαιτήσεις αυτής της μέτρησης υψηλής ακρίβειας. Αυτή η στρατηγική έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στο παρελθόν και το παρόν Η ομάδα μου είναι πολύ ενθουσιασμένη: Θα συνεχίσουμε να ανταποκρινόμαστε στις μελλοντικές προκλήσεις. Να αναλύουμε το KATRIN με νέες δημιουργικές ιδέες και να προσδιορίζουμε την ακρίβεια.”

Οι πρόσθετες μετρήσεις θα βελτιώσουν την ευαισθησία

Οι εκπρόσωποι της KATRIN και οι συντονιστές ανάλυσης είναι πολύ αισιόδοξοι για το μέλλον: «Περισσότερες μετρήσεις του νετρίνου Συλλογικός Θα συνεχιστεί μέχρι το τέλος του 2024. Για να αξιοποιήσουμε πλήρως τις δυνατότητες αυτής της μοναδικής εμπειρίας, όχι μόνο θα αυξάνουμε σταθερά τα στατιστικά των συμβάντων σηματοδότησης, αλλά θα αναπτύσσουμε και θα εγκαθιστούμε συνεχώς βελτιώσεις για περαιτέρω μείωση του ρυθμού παρασκηνίου. ”

Η ανάπτυξη ενός νέου συστήματος ανίχνευσης (TRISTAN) παίζει καθοριστικό ρόλο σε αυτό, επιτρέποντας στην KATRIN από το 2025 και μετά να ξεκινήσει την αναζήτηση για “στείρο” νετρίνα Με μάζες στην περιοχή των kiloelectrovolt, είναι υποψήφιος για τη μυστηριώδη σκοτεινή ύλη στο σύμπαν που έχει ήδη εμφανιστεί σε πολλές αστροφυσικές και κοσμολογικές παρατηρήσεις, αλλά η σωματιδιακή-φυσική της φύση είναι ακόμα άγνωστη.

Η αναζήτηση δημοσιεύτηκε στο Φυσική της Φύσης.