Osakeste füüsika standardmudel on üks teaduse kõige muljetavaldavamaid vaatamisväärsusi. See on range ja täpne ettevõtmine, et mõista ja kirjeldada universumi neljast põhijõudust kolme: elektromagnetiline jõud, tugev tuumajõud ja nõrk tuumajõud. Gravitatsioon puudub, kuna seni on selle mudelisse sobitamine olnud eriti keeruline.
Kuid standardses mudelis on mõned augud ja üks neist hõlmab neutriino massi.
Neutriino olemasolu soovitati esmakordselt 1930. aastal, seejärel avastati see 1956. Sellest ajast alates on füüsikud teada saanud, et neutriinosid on kolme tüüpi ning neid on arvukalt ja tabamatuid. Ainult spetsiaalsed rajatised suudavad neid tuvastada, kuna nad suhtlevad muude ainetega harva. Nende jaoks on mitu allikat ja mõned neist on juba alates Suurest Paugust kosmosesse tõmbamas, kuid suurem osa Maa lähedal asuvatest neutriinidest pärineb Päikesest.
Standardmudel ennustab, et neutriinodel puudub mass, nagu footonitel. Kuid füüsikud on leidnud, et kolm tüüpi neutriinod võivad liikudes üksteiseks muutuda. Füüsikute sõnul peaksid nad seda saama ainult siis, kui neil on mass.
Aga kui palju massi? See on küsimus, mis on jälitanud osakeste füüsikuid. Ja sellele küsimusele vastamine on osa sellest, mis ajendab KATRINi teadlasi (Karlsruhe triitiumi neutrinokatse.)
"Need KATRINi koostöö tulemused vähendavad neutriino varasemat massvahemikku kahekordselt ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRINI TEADLIK JA FÜÜSIKA PROFESSOR EMERITUS WASHINGTONI ÜLIKOOLIS.
Teadlaste meeskond on leidnud osa vastusest sellele: neutriino mass ei tohi olla suurem kui 1,1 elektronvolti (eV). See on neutriino massi ülemise piiri vähendamine peaaegu 1 eV võrra; alates 2 eV kuni 1,1 eV. Tuginedes varasematele katsetele, mille madalaim massipiir oli 0,02 eV, on need teadlased seadnud neutriino massi jaoks uue vahemiku. See näitab, et neutriinol on elektronide massist väiksem kui 1/500 000.. See on oluline samm standardmudeli edasiarendamisel.
"Neutriino massi tundmine võimaldab teadlastel vastata kosmoloogia, astrofüüsika ja osakeste füüsika põhiküsimustele ..."
Hamish Robertson, KATRINi teadlane ja Washingtoni ülikooli füüsika emeriitprofessor.
Selle töö taga olevad teadlased on pärit 20 erinevast teadusasutusest üle maailma. Nad teevad koostööd KATRINiga Saksamaal Karlsruhe tehnoloogiainstituudis. KATRINi rajatisel on 10-meetrine kõrgresolutsiooniga spektromeeter, mis võimaldab tal mõõta elektronide energiat ülitäpselt.
KATRINi meeskond esitles oma tulemusi 2019. aasta teemadel astroosakeste ja maa-aluse füüsika konverentsil Toyamas Jaapanis 13. septembril.
"Neutriino massi tundmine võimaldab teadlastel vastata kosmoloogia, astrofüüsika ja osakeste füüsika põhiküsimustele, näiteks kuidas universum arenes või milline füüsika eksisteerib väljaspool standardset mudelit," ütles KATRINi teadlane ja füüsika emeriitprofessor Hamish Robertson. Washingtoni ülikoolis. "Need KATRINi koostöö tulemused vähendavad neutriino varasemat massivahemikku kahekordselt, määravad rangemad kriteeriumid sellele, milline neutriino mass tegelikult on, ja pakuvad teed selle väärtuse lõplikuks mõõtmiseks."
Neutrinosid on kurikuulsalt keeruline tuvastada, ehkki neid on ohtralt. Ainult footonid on rikkalikumad. Nagu nende nimi ütleb, on nad elektriliselt neutraalsed. See teeb nende tuvastamise äärmiselt keeruliseks. Antarktika jäässe ja sügavale hüljatud miinidesse on kaevatud neutriinovaatluskeskusi. Nad kasutavad neutriinode interaktsiooni meelitamiseks sageli rasket vett. Kui neutriino interakteerub, tekitab see Cherenkovi kiirgust, mida saab mõõta.
"Kui te täidaksite Päikesesüsteemi viiekümne korraga Pluuto orbiidist kaugemale, jätaks umbes pool päikese eralduvatest neutriinodest ikkagi Päikesesüsteemi ilma selle pliiga suhelda," ütles Robertson.
Neutriino ajalugu on aja jooksul muutunud selliste katsete abil nagu KATRIN. Algselt ennustasid standardses mudelis, et neutriinodel pole massi. Kuid 2001. aastal näitasid kaks erinevat detektorit, et nende mass ei olnud null. 2015. aasta Nobeli füüsikaauhind anti välja kahele teadlasele, kes näitasid, et neutriinod võivad tüüpide vahel võnkuda, näidates, et neil on mass.
KATRINi seade mõõdab neutriinode massi kaudselt. See toimib triitiumi, mis on vesiniku väga radioaktiivne vorm, lagunemise jälgimisel. Triitiumi isotoobi lagunedes eraldub sellest osakeste paari: elektron ja anti-neutriino. Koos jagavad nad 18 560 eV energiat.
Enamikul juhtudest jagavad osakeste paarid võrdselt 18 560 eV. Kuid harvadel juhtudel neelab elektron suurema osa energiast, jättes neutriino väga vähe. Need haruldased juhtumid on teadlaste tähelepanu keskmes.
Kuna E = mC2, peab ka nendel harvadel juhtudel neutriinole jäetud väike energiakogus võrduma selle massiga. Kuna KATRINil on võime elektronit täpselt mõõta, on see võimeline määrama ka neutriino massi.
"Neutriino massi lahendamine viiks meid uue standardmudeli loomise vapustavasse uude maailma," ütles KATRINi kallal töötav Washingtoni ülikooli füüsika teadusprofessor Peter Doe.
Sellel uuel standardmudelil, mida Doe mainib, võib olla võimalik arvestada tumeda ainega, mis moodustab suurema osa universumi ainest. Pingutused nagu KATRIN võivad ühel päeval tuvastada teise, neljanda tüüpi neutriino, mida nimetatakse steriilseks neutriinoks. Siiani on see neljas tüüp vaid oletused, kuid see on tumeda aine kandidaat.
"Neutrinod on imelikud väikesed osakesed," ütles Doe. "Nad on nii üldlevinud ja kui selle väärtuse määrame, on nii palju õppida."
Mõlemad on oluline näidata, et neutriinodel on mass, ja piirata selle massivahemikku. Kuid osakeste füüsikud ei tea endiselt, kuidas nad oma massi saavad. See on ilmselt teistsugune kui see, kuidas teised osakesed nende päralt võidavad.
Sellised KATRINi tulemused aitavad sulgeda auku standardmudelis ja meie üldises arusaamas universumist. Universum on täis Suure Paugu iidseid neutriinoid ja iga edasiminek neutriino massis aitab meil mõista, kuidas Universum kujunes ja arenes.
Veel:
- Pressiteade: KATRIN lõikab tabamatu neutriino massiarvestuse pooleks
- Karlsruhe tehnoloogiainstituut: KATRIN
- CERN: standardmudel
- Ajakiri Symmetry: viis mudelit ei mõista standardmudelit
- MIT-i uudised: 3Q: teadlased raseerivad neutriino massi hinnangu pooleks
