Daļiņu fizikas standarta modelis ir viens no zinātnes iespaidīgākajiem varoņdarbiem. Tas ir precīzs, precīzs centiens izprast un aprakstīt trīs no četriem Visuma pamat spēkiem: elektromagnētisko spēku, spēcīgu kodolieroču un vāju kodolspēku. Smaguma nav, jo līdz šim tā pielāgošana standarta modelim ir bijusi ļoti izaicinoša.
Bet standarta modelī ir daži caurumi, un viens no tiem ietver neitrīno masu.
Neitrīno esamība vispirms tika ierosināta 1930. gadā, pēc tam tika atklāta 1956. gadā. Kopš tā laika fiziķi ir iemācījušies, ka ir trīs neitrīnu veidi, un tie ir bagātīgi un nenotverami. Tikai īpašas iespējas tos var atklāt, jo tie reti mijiedarbojas ar citu lietu. Viņiem ir vairāki avoti, un daži no tiem jau kopš lielā sprādziena ir zipējuši kosmosā, bet lielākā daļa neitrīnu Zemes tuvumā nāk no Saules.
Standarta modelis paredz, ka neitrīniem nav masas, piemēram, fotoniem. Bet fiziķi ir atklājuši, ka trīs veidu neitrīni, pārvietojoties, var pārveidoties viens par otru. Pēc fiziķu domām, viņiem to vajadzētu darīt tikai tad, ja viņiem ir masa.
Bet cik masas? Tas ir jautājums, kas aizrauj daļiņu fiziķus. Un atbilde uz šo jautājumu ir daļa no tā, kas virza zinātniekus KATRIN (Karlsrūes tritija neitrino eksperiments.)
"Šie KATRIN sadarbības rezultāti samazina neitrīno iepriekšējo masas diapazonu par koeficientu divi ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN ZINĀTNIS UN FIZIKAS PROFESORIS EMERITUS VASingtonas universitātē.
Pētnieku grupa ir nākusi klajā ar daļu atbildes uz to: neitrīno masa nedrīkst būt lielāka par 1,1 elektronu voltu (eV.). Tas ir neitrīno masas augšējās robežas samazinājums par gandrīz 1 eV; no 2 eV līdz 1,1 eV. Balstoties uz iepriekšējiem eksperimentiem, kas nosaka zemāko masas robežu pie 0,02 eV, šie pētnieki ir uzstādījuši jaunu neitrīno masas diapazonu. Tas parāda, ka neitrīnam ir mazāka par 1/500 000. elektronu masa. Šis ir svarīgs solis standarta modeļa attīstībā.
"Zinot neitrīno masu, zinātnieki varēs atbildēt uz kosmoloģijas, astrofizikas un daļiņu fizikas pamatjautājumiem ..."
Hamišs Robertsons, KATRIN zinātnieks un Vašingtonas Universitātes fizikas emeritētais profesors.
Šī darba pētnieki nāk no 20 dažādām pētniecības iestādēm visā pasaulē. Viņi sadarbojas ar KATRIN Karlsrūes Tehnoloģiju institūtā Vācijā. KATRIN iekārtā ir 10 metru augstas izšķirtspējas spektrometrs, kas ļauj ar ļoti precīzu mērījumu veikt elektronu enerģiju.
KATRIN komanda prezentēja savus rezultātus 2019. gada tēmās astrodaļiņu un pazemes fizikas konferencē Tojama, Japānā, 13. septembrī.
“Zinot neitrīno masu, zinātnieki varēs atbildēt uz kosmoloģijas, astrofizikas un daļiņu fizikas pamatjautājumiem, piemēram, par to, kā attīstījās Visums vai kāda fizika pastāv ārpus standarta modeļa,” sacīja Hamiss Robertsons, KATRIN zinātnieks un fizikas emeritētais profesors. Vašingtonas universitātē. "Šie KATRIN sadarbības rezultāti samazina neitrīno iepriekšējo masas diapazonu ar koeficientu divi, izvirza stingrākus kritērijus tam, kas patiesībā ir neitrīno masa, un sniedz ceļu uz priekšu, lai galīgi izmērītu tā vērtību."
Neitrīnus ir ļoti grūti atklāt, kaut arī tos ir daudz. Tikai fotoni ir bagātīgāki. Kā saka viņu vārds, viņi ir elektriski neitrāli. Tas padara tos ļoti grūti atklāt. Ir neitrīno observatorijas, kas nogrimušas dziļi Antarktīdas ledus, kā arī dziļi pamestās mīnās. Viņi bieži izmanto smago ūdeni, lai vilinātu neitrīnus mijiedarboties. Kad neitrīns mijiedarbojas, tas rada Čerenkova starojumu, ko var izmērīt.
"Ja jūs piecdesmit reizes piepildījāt Saules sistēmu ar svinu ārpus Plutona orbītas, apmēram puse no saules izstarotajiem neitrīniem joprojām pametīs Saules sistēmu, nedarbojoties ar šo svinu," sacīja Robertsons.
Neitrīno vēsture laika gaitā ir attīstījusies ar tādiem eksperimentiem kā KATRIN. Sākotnēji standarta modelī tika prognozēts, ka neitrīniem nebūs masas. Bet 2001. gadā divi dažādi detektori parādīja, ka to masa nav nulle. 2015. gada Nobela prēmija fizikā tika piešķirta diviem zinātniekiem, kuri parādīja, ka neitrīni var svārstīties starp tipiem, parādot, ka tiem ir masa.
KATRIN iekārta netieši mēra neitrīnu masu. Tas darbojas, uzraugot tritija, kas ir ļoti radioaktīvs ūdeņraža veids, sabrukšanu. Kad tritija izotops noārdās, tas izstaro daļiņu pārus: elektronu un anti-neitrīno. Kopā viņiem ir 18 560 eV enerģijas.
Vairumā gadījumu daļiņu pāri dalās ar 18 560 eV vienādi. Bet retos gadījumos elektrons satur lielāko daļu enerģijas, atstājot neitrīno ļoti maz. Šie reti gadījumi ir tie zinātnieku uzmanības centrā.
Sakarā ar E = mC2, niecīgajam neitrīno enerģijas daudzumam, kas paliek šajos retajos gadījumos, jābūt vienādam ar tā masu. Tā kā KATRIN ir spēks precīzi izmērīt elektronu, tas arī var noteikt neitrīno masu.
“Neitrīno masas atrisināšana mūs novedīs pie drosmīgas, jauna standarta modeļa radīšanas pasaules,” sacīja Pīters Doe, Vašingtonas Universitātes fizikas zinātņu profesors, kurš strādā pie KATRIN.
Šim jaunajam standarta modelim, ko Doe piemin, var būt iespēja ņemt vērā tumšo matēriju, kas veido lielāko daļu Visuma matērijas. Tādas pūles kā KATRIN var kādu dienu atklāt citu, ceturto neitrīno veidu, ko sauc par sterilu neitrīno. Pagaidām šis ceturtais tips ir tikai minējumi, bet tas ir kandidāts uz tumšo vielu.
"Neitrīni ir dīvainas mazas daļiņas," sacīja Doe. "Viņi ir tik visuresoši, un, nosakot šo vērtību, ir tik daudz, ko mēs varam iemācīties."
Ir svarīgi parādīt, ka neitrīniem ir masa, un ierobežot šīs masas diapazonu. Bet daļiņu fiziķi joprojām nezina, kā viņi iegūst savu masu. Tas, iespējams, atšķiras no tā, kā citas daļiņas iegūst savējos.
Šādi KATRIN rezultāti palīdz aizvērt caurumu standarta modelī un mūsu vispārējā izpratnē par Visumu. Visums ir pilns ar senajiem neitrīniem no Lielā sprādziena, un katrs neitrīno masas pieaugums palīdz mums saprast, kā Visums veidojās un attīstījās.
Vairāk:
- Paziņojums presei: KATRIN uz pusi samazina nenotveramo neitrīno masas aprēķinu
- Karlsrūes Tehnoloģiju institūts: KATRIN
- CERN: standarta modelis
- Žurnāls Symmetry: Piecas mistērijas, kuras standarta modelis nevar izskaidrot
- MIT ziņas: 3Q: Zinātnieki neitrīno masas novērtējumu nosūta uz pusēm
