Suur elektronide loendamismasin on kaudselt füüsikas teadaolevalt kõige libedama osakese mõõtmise teinud ja lisatud tõenditele tumeda aine kohta.
See mõõtmine on esimene tulemus rahvusvahelisest katsest mõõta neutriinode massi - osakesi, mis täidavad meie universumi ja määravad selle struktuuri, kuid mida me vaevalt suudame üldse tuvastada. Saksa päritolu Karlsruhe triitiumneutrino eksperimendi (KATRIN) järgi ei ole neutronitel elektronide massist rohkem kui 0,0002%. See arv on nii madal, et isegi kui me koondaksime kokku kõik universumi neutriinod, ei saaks nad selle puuduvat massi selgitada. Ja see asjaolu lisab tõendite kogumile tumeaine olemasolu kohta.
KATRIN on põhimõtteliselt väga suur masin ülikergete elektronide loendamiseks, mis purunevad triitiumi - vesiniku radioaktiivse vormi - proovist. kus igas aatomis on üks prooton ja kaks neutronit. Triitium on ebastabiilne ja selle neutronid lagunevad elektron-neutriino paarideks. KATRIN otsib elektrone, mitte neutriine, kuna neutriinod on täpsuse mõõtmiseks liiga nõrgad. Ja KATRINi teadlase ja Washingtoni ülikooli emeriitprofessori Hamish Robertsoni sõnul kasutab masin triitiumgaasi, kuna see on ainus piisavalt lihtne elektronide-neutriinoallikas, millest saada hea massi mõõtmine.
Neutrinoid on enam-vähem võimatu iseseisvalt täpselt mõõta, kuna neil on nii vähe massi ja nad kipuvad detektoritest ilma nendega suheldes vahele minema. Niisiis, et neutriinode massi välja mõelda, rääkis Robertson Live Science'ile, et KATRIN loendab kõige energilisemaid elektrone ja töötab sellest arvust tagasi, et järeldada neutriino massi. KATRINi esimesed tulemused on teada antud ja teadlased jõudsid varasele järeldusele: neutriinide mass ei ületa 1,1 elektronvolti (eV).
Elektronvoltid on massi- ja energiaühikud, mida füüsikud kasutavad universumi väikseimatest asjadest rääkimisel. (Põhiosa osakeste skaalal mõõdetakse energiat ja massi samade ühikute abil ning neutriino-elektronide paaridel peab olema kombineeritud energiatase, mis on võrdne nende lähteneutroniga.) Higgsi bosonil, mis laenab teistele osakestele nende massi, on mass 125 miljardit EV. Prootonite, mis on aatomite keskmes olevad osakesed, mass on umbes 938 miljonit eV. Elektronid on kõigest 510 000 eV. See eksperiment kinnitab, et neutriinod on uskumatult pisikesed.
KATRIN on väga suur masin, kuid selle meetodid on sirged, ütles Robertson. Seadme esimene kamber on täis gaasilist triitiumi, mille neutronid lagunevad loomulikult elektronideks ja neutriinodeks. Füüsikud juba teavad, kui palju energiat on seotud neutroni lagunemisega. Osa energiast muundatakse neutriino massiks ja elektroni massiks. Ja ülejäänu valatakse nendesse vastloodud osakestesse, dikteerides väga jämedalt, kui kiiresti need lähevad. Tavaliselt jaguneb see lisaenergia üsna ühtlaselt elektroni ja neutriino vahel. Kuid mõnikord satub suurem osa või kogu ülejäänud energia ühte või teise osakese.
Sel juhul visatakse pärast neutriino ja elektroni moodustumist järelejäänud energia elektronpartnerisse, moodustades ülikõrge energiaga elektroni, ütles Robertson. See tähendab, et neutriino massi saab arvutada: see on neutronide lagunemisse kaasatud energia, millest lahutatakse eksperimendi elektronide mass ja elektronide maksimaalne energiatase.
Katse kavandanud füüsikud ei üritanud neutriinoid mõõta; neil lubatakse puutumata masinast pääseda. Selle asemel suunab eksperiment elektronid hiiglaslikku vaakumkambrisse, mida nimetatakse spektromeetriks. Elektrivool loob sel juhul väga tugeva magnetvälja, mida ainult kõrgeima energiaga elektronid suudavad läbida. Selle kambri teises otsas on seade, mis loeb, mitu elektronit läbi välja moodustab. Kuna KATRIN suurendab aeglaselt magnetvälja tugevust, ütles Robertson, et elektronide arv, mis läbi saab, kahaneb - peaaegu nagu see läheks kogu aja nulli. Kuid selle elektronide energiasisalduse spektri lõpus juhtub midagi.
"Spekter sureb järsult, enne kui jõuad lõpp-punkti, sest neutriino massi ei saa elektron varastada. See tuleb neutriinode jaoks alati maha jätta," sõnas Robertson. Neutriino mass peab olema väiksem kui see väike energiakogus, mis spektri otsast puudu. Ja pärast mitu nädalat kestnud tööaega kitsendasid eksperimenteerijad seda arvu umbes pooleni sellest arvust, millest füüsikud varem teadsid.
Idee, et neutriinodel on üldse mass, on revolutsiooniline; Alamatomimaailma kirjeldava peamise füüsika teooria Standardmudel, kui kunagi nõutud neutriinodel polnud üldse massi, tõi Robertson välja. Juba 1980ndatel üritasid Venemaa ja Ameerika teadlased mõõta neutriinomassi, kuid nende tulemused olid probleemsed ja ebatäpsed. Ühel hetkel kinnitasid Vene teadlased neutriino massi täpselt 30 eV juures - kena arv, mis oleks neutriinod paljastanud puuduva lüliks, mis oleks selgitanud universumi suurt gravitatsioonilist struktuuri, täites kogu puuduva massi - kuid ühe mis osutus valeks.
Robertson ja tema kolleegid asusid kõigepealt gaasilise triitiumiga tegelema siis, kui nad mõistsid, et nõrgalt radioaktiivne aine on kõige täpsem teadusele kättesaadav neutronimurd.
"See on olnud pikk otsing," ütles Robertson. "Vene mõõtmine 30 eV oli väga põnev, kuna see oleks universumi gravitatsiooniliselt sulgenud. Ja see on endiselt põnev sel põhjusel. Neutrinodel on kosmoloogias suur roll ja tõenäoliselt on nad kujundanud universumi suuremahulise struktuuri."
Kõik need nõrgad osakesed, mis lendavad puksiiri ümber kõige muu oma raskusega, võtavad ja laenavad energiat kõigest muust. Robertson ütles, et kuna massiarv väheneb, muutub nende väikeste osakeste täpne roll keerukamaks.
Teadlase sõnul on 1,1 eV arv huvitav, kuna see on esimene eksperimentaalselt saadud neutriino massiarv, mis pole piisavalt kõrge, et ülejäänud universumi struktuuri iseseisvalt selgitada.
"On küsimus, mis pole veel midagi, millest me veel teame. Seal on see tume aine", ja ta ei saa teha neutriinodest, millest me teame, ütles ta.
Nii et see väike arv Saksamaalt pärit suurest vaakumkambrist lisab tõendite kogumile vähemalt selle, et universumis on elemente, mida füüsika veel ei mõista.
