Liela, elektronu skaitīšanas mašīna netieši ir veikusi fizikā zināmākās daļiņas mērīšanu fizikā - un pievienota tumšās vielas pierādījumiem.
Šis mērījums ir pirmais rezultāts starptautiskos centienos izmērīt neitrīno masu - daļiņas, kas piepilda mūsu Visumu un nosaka tā struktūru, bet ko mēs tik tikko spējam atklāt. Saskaņā ar vācu Karlsrūes tritija neitrino eksperimentu (KATRIN) neitrīnos elektronu masa nepārsniedz 0,0002%. Šis skaits ir tik mazs, ka pat tad, ja mēs sasummētu visus neitrīnus Visumā, viņi nevarētu izskaidrot tā trūkstošo masu. Un šis fakts papildina pierādījumu kaudzi par tumšās matērijas esamību.
KATRIN principā ir ļoti liela mašīna super-augstas enerģijas elektronu skaitīšanai, kas eksplodē no tritija - radioaktīvā ūdeņraža veida - parauga. ar vienu protonu un diviem neitroniem katrā atomā. Tritijs ir nestabils, un tā neitroni sadalās elektronu-neitrīno pāros. KATRIN meklē elektronus, nevis neitrīnus, jo neitrīni ir pārāk vāji, lai precīzi izmērītu. Un KATRIN zinātnieks un Vašingtonas universitātes emeritētais profesors Hamaiss Robertsons saka, ka mašīna izmanto tritija gāzi, jo tas ir vienīgais elektronu-neitrīno avots, kas ir pietiekami vienkāršs, lai no tā iegūtu labu masas mērījumu.
Neitrīnus ir vairāk vai mazāk neiespējami precīzi izmērīt atsevišķi, jo tiem ir tik maza masa un tie mēdz izlaist detektorus, nedarbojoties ar tiem. Tātad, lai noskaidrotu neitrīnu masu, Robertsons pastāstīja Live Science, KATRIN saskaita viss enerģētiskākos elektronus un strādā no šī skaitļa atpakaļ, lai izsecinātu neitrīno masu. Ir paziņoti pirmie KATRIN rezultāti, un pētnieki izdarīja agru secinājumu: neitrīnu masa nav lielāka par 1,1 elektronu voltu (eV).
Elektronu volti ir masas un enerģijas vienības, kuras fiziķi izmanto, runājot par vissīkākajām Visuma lietām. (Pamatdaļiņu mērogā enerģiju un masu mēra, izmantojot tās pašas vienības, un neitrīno-elektronu pāriem ir jābūt apvienotiem enerģijas līmeņiem, kas līdzvērtīgi to avota neitronam.) Higsa bozonam, kurš citām masām aizdod savas masas, ir masa 125 miljardi EV. Protonu, daļiņu, kas atrodas atomu centrā, masas ir aptuveni 938 miljoni eV. Elektroni ir tikai 510 000 eV. Šis eksperiments apstiprina, ka neitrīni ir neticami niecīgi.
KATRIN ir ļoti liela mašīna, taču tās metodes ir vienkāršas, sacīja Robertsons. Ierīces pirmā kamera ir pilna ar gāzveida tritiju, kura neitroni dabiski sadalās elektronos un neitrīnos. Fiziķi jau zina, cik daudz enerģijas tiek iesaistīts neitronu sabrukšanas laikā. Daļa enerģijas tiek pārveidota neitrīno un elektronu masā. Un pārējais tiek izliets tajās jaunizveidotajās daļiņās, ļoti aptuveni diktējot, cik ātri tās iet. Parasti šī papildu enerģija tiek sadalīta diezgan vienmērīgi starp elektronu un neitrīno. Bet dažreiz lielākā daļa vai visa atlikušā enerģija nonāk vienā vai otrā daļiņā.
Tādā gadījumā visa enerģija, kas paliek pāri pēc neitrīno un elektronu veidošanās, tiek iegremdēta elektronu partnerī, veidojot īpaši augstas enerģijas elektronu, sacīja Robertsons. Tas nozīmē, ka var aprēķināt neitrīno masu: Tā ir neitronu sabrukšanas procesā iesaistītā enerģija, no kuras atņem elektrona masu un elektronu maksimālo enerģijas līmeni eksperimentā.
Fiziķi, kas izstrādāja eksperimentu, nemēģināja izmērīt neitrīnus; tiem ir atļauts izkļūt no mašīnas, kas nav skarta. Tā vietā eksperiments elektronus pilda milzu vakuuma kamerā, ko sauc par spektrometru. Pēc tam elektriskā strāva rada ļoti spēcīgu magnētisko lauku, kuru var iziet tikai lielākās enerģijas elektroni. Šīs kameras otrajā galā ir ierīce, kas saskaita, cik daudz elektronu iziet cauri laukam. Kad KATRIN lēnām palielina magnētiskā lauka stiprumu, sacīja Robertsons, elektronu skaits, kas nokļūst cauri, sarūk - gandrīz tā, it kā tas visu laiku izbalētu līdz nullei. Bet elektronu enerģijas līmeņu spektra pašās beigās kaut kas notiek.
"Spektrs pēkšņi mirst, pirms jūs sasniedzat beigu punktu, jo neitrīna masu nevar nozagt elektrons. Tā vienmēr ir jāatstāj neitrīnu dēļ," sacīja Robertsons. Neitrīno masai jābūt mazākai par niecīgo enerģijas daudzumu, kas pietrūkst pašā spektra galā. Un pēc vairāku nedēļu ilga laika izpildīšanas eksperimenti samazināja šo numuru līdz apmēram pusei no skaita, par kuru fiziķi iepriekš zināja.
Ideja, ka neitrīniem vispār ir masa, ir revolucionāra; Robertsons uzsvēra, ka standarta modelis, galvenā fizikas teorija, kas apraksta subatomisko pasauli, savulaik uzstājot, ka neitrīniem nav masas. Jau 1980. gados krievu un amerikāņu pētnieki mēģināja izmērīt neitrīno masas, taču to rezultāti bija problemātiski un neprecīzi. Vienā brīdī krievu pētnieki piestiprināja neitrīno masu precīzi pie 30 eV - jauks skaitlis, kas būtu atklājis neitrīnus kā trūkstošo saiti, kas būtu izskaidrojis Visuma gravitācijas struktūru, aizpildot visu trūkstošo masu - bet vienu kas izrādījās nepareizi.
Robertsons un viņa kolēģi toreiz sāka strādāt ar gāzveida tritiju, kad viņi saprata, ka vāji radioaktīvā viela piedāvā visprecīzāko zinātnei pieejamo neitronu sabrukšanas avotu.
"Šis ir bijis ilgs meklējums," sacīja Robertsons. "Krievijas mērījums 30 eV bija ļoti aizraujošs, jo tas būtu aizvēris Visumu gravitācijas ceļā. Un šī iemesla dēļ tas joprojām ir aizraujošs. Neutrīniem ir liela loma kosmoloģijā, un tie, iespējams, ir veidojuši Visuma liela mēroga struktūru."
Visas šīs vājās daļiņas, kas ar savu smaguma spēku peld apkārt velkonim, pārņem un aizdod enerģiju no visām pārējām lietām. Kaut arī Robertsons sacīja, ka masu skaita samazināšanās dēļ šo mazo daļiņu precīza loma kļūst sarežģītāka.
1,1 eV skaitlis, pēc pētnieka teiktā, ir interesants, jo tas ir pirmais eksperimentāli iegūtais neitrīno masas numurs, kas nav pietiekami augsts, lai pats izskaidrotu pārējā Visuma struktūru.
"Ir jautājums, kas vēl nav kaut kas tāds, par ko mēs vēl zinām. Ir šī tumšā matērija," viņš teica, ka to nevar veidot no neitrīniem, par kuriem mēs zinām.
Tātad šis mazais skaitlis no lielās vakuuma kameras Vācijā vismaz papildina pierādījumu kaudzi, ka Visumam ir elementi, kurus fizika joprojām nesaprot.
