Štandardný model časticovej fyziky je jedným z najpôsobivejších prvkov vedy. Je to dôsledné a presné úsilie pochopiť a opísať tri zo štyroch základných síl vesmíru: elektromagnetickú silu, silnú jadrovú silu a slabú jadrovú silu. Gravitácia chýba, pretože jej montáž do štandardného modelu bola doteraz veľmi náročná.
V štandardnom modeli sú však určité diery a jedna z nich zahŕňa hmotnosť neutrína.
Existencia neutrína bola prvýkrát navrhnutá v roku 1930, potom odhalená v roku 1956. Odvtedy sa fyzici dozvedeli, že existujú tri typy neutrín a sú hojní a nepolapiteľní. Odhaliť ich môžu iba špeciálne zariadenia, pretože zriedka interagujú s inými látkami. Existuje pre nich niekoľko zdrojov a niektoré z nich už od Veľkého tresku komprimujú vesmír, ale väčšina neutrín pri Zemi pochádza zo Slnka.
Štandardný model predpovedá, že neutrína nemajú hmotnosť ako fotóny. Fyzici však zistili, že tri typy neutrín sa môžu pri pohybe transformovať na seba. Podľa fyzikov by to mali robiť len vtedy, ak majú omšu.
Ale koľko hmoty? To je otázka, ktorá prenasledovala fyzikov častíc. Odpoveď na túto otázku je súčasťou toho, čo vedie vedcov v spoločnosti KATRIN (experiment Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment).
„Tieto zistenia spolupráce KATRIN-u redukujú predchádzajúci hmotnostný rozsah pre neutríno dvojnásobne…“
HAMISH ROBERTSON, KATRIN VEDA A PROFESOR EMERITUS FYZIKY NA UNIVERZITE WASHINGTONA.
Tím vedcov prišiel s časťou odpovede na túto otázku: hmotnosť neutrína nemôže byť väčšia ako 1,1 elektrónového voltu (eV). Jedná sa o zníženie hornej hranice hmotnosti neutrína o takmer 1 eV; od 2 eV do 1,1 eV. Na základe predchádzajúcich experimentov, ktoré stanovili dolný hmotnostný limit na 0,02 eV, títo vedci stanovili nový rozsah pre hmotnosť neutrína. Ukazuje, že neutrino má menej ako 1 500 000. hmotnosť elektrónu. Toto je dôležitý krok v napredovaní štandardného modelu.
„Poznanie množstva neutrínu umožní vedcom odpovedať na základné otázky týkajúce sa kozmológie, astrofyziky a fyziky častíc…“
Hamish Robertson, vedec a profesor KATRIN z fyziky na University of Washington.
Vedci, ktorí stoja za touto prácou, pochádzajú z 20 rôznych výskumných inštitúcií z celého sveta. Pracujú s KATRINom na Technologickom inštitúte v Karlsruhe v Nemecku. Zariadenie KATRIN je vybavené 10 metrovým spektrometrom s vysokým rozlíšením, ktorý mu umožňuje veľmi presne merať elektrónové energie.
Tím KATRIN prezentoval svoje výsledky na konferencii Témy v roku 2019 v Astroparticle and Underground Physics v japonskej Toyame 13. septembra.
„Poznanie množstva neutrínu umožní vedcom odpovedať na základné otázky v kozmológii, astrofyzike a fyzike častíc, napríklad o tom, ako sa vesmír vyvíjal alebo čo existuje nad rámec štandardného modelu,“ povedal Hamish Robertson, vedec KATRIN a profesor fyziky. na University of Washington. „Tieto zistenia v rámci spolupráce KATRINu redukujú predchádzajúci hmotnostný rozsah pre neutríno dvojnásobne, kladú prísnejšie kritériá na to, aká je hmotnosť neutrína a poskytujú cestu vpred, aby sa definitívne zmerala jeho hodnota.“
Neutrína sa notoricky ťažko dajú zistiť, aj keď sú hojné. Viac fotónov je viac. Ako už názov napovedá, sú elektricky neutrálne. Preto je ich odhalenie mimoriadne ťažké. Existujú neutrínové observatóriá zapustené hlboko v antarktickom ľade a tiež hlboko v opustených baniach. Často používajú ťažkú vodu, aby nalákali neutrína na interakciu. Keď neutríno interaguje, produkuje Cherenkovove žiarenie, ktoré je možné merať.
„Ak by ste solárnu sústavu naplnili elektródou päťdesiatkrát za obežnou dráhou Pluta, približne polovica neutrín emitovaných slnkom by stále opustila slnečnú sústavu bez interakcie s týmto elektródou,“ povedal Robertson.
História neutrína sa postupom času vyvíjala s experimentmi ako KATRIN. Pôvodne predpokladal štandardný model, že neutrína by nemali hmotnosť. Ale v roku 2001 dva rôzne detektory ukázali, že ich hmotnosť je nenulová. Nobelova cena za fyziku vo fyzike za rok 2015 bola udelená dvom vedcom, ktorí ukázali, že neutrína sa môžu pohybovať medzi jednotlivými typmi, čo ukazuje, že majú hmotnosť.
Zariadenie KATRIN nepriamo meria hmotnosť neutrín. Účinkuje tak, že monitoruje rozklad trícia, čo je vysoko rádioaktívna forma vodíka. Ako sa rozpadá izotop trícia, emituje páry častíc: elektrón a ant neutríno. Spoločne zdieľajú 18 560 eV energie.
Vo väčšine prípadov pár častíc zdieľa 18,560 eV rovnako. Ale v zriedkavých prípadoch elektrón ošípá väčšinu energie a neutrín ponecháva veľmi málo. Vedci sa na tieto zriedkavé prípady zameriavajú.
Kvôli E = mC2 sa musí v týchto zriedkavých prípadoch malé množstvo energie, ktorá zostáva pre neutrín, rovnať jej hmotnosti. Pretože KATRIN má schopnosť presne zmerať elektrón, je tiež schopný určiť hmotnosť neutrína.
„Riešenie hmoty neutrína by nás priviedlo do odvážneho nového sveta vytvorenia nového štandardného modelu,“ povedal Peter Doe, výskumný profesor fyziky z University of Washington, ktorý pracuje na KATRIN.
Tento nový štandardný model, ktorý spomína Doe, môže mať potenciál zodpovedať za temnú hmotu, ktorá tvorí väčšinu hmoty vo vesmíre. Úsilie ako KATRIN môže jedného dňa odhaliť ďalší štvrtý typ neutrína, ktorý sa nazýva sterilné neutrino. Tento štvrtý typ je zatiaľ iba dohadom, ale je kandidátom na temnú hmotu.
"Neutrína sú podivné malé častice," povedal Doe. „Sú všadeprítomní a akonáhle určíme túto hodnotu, môžeme sa toho veľa naučiť.“
Dôležitá je ukázať, že neutrína majú hmotnosť a obmedzujú rozsah tejto hmoty. Fyzici častíc však stále nevedia, ako získajú svoju hmotu. Pravdepodobne je to iné ako to, ako si ich získajú iné častice.
Výsledky, ako je tento, od KATRINu pomáhajú uzavrieť dieru v štandardnom modeli a v našom celkovom chápaní vesmíru. Vesmír je plný antických neutrín z Veľkého tresku a každý pokrok v hmote neutrína nám pomáha pochopiť, ako sa vesmír vyvíjal a vyvíjal.
Viac:
- Tlačová správa: KATRIN znižuje odhad hmotnosti nepolapiteľného neutrína na polovicu
- Technologický inštitút v Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Štandardný model
- Symetrický časopis: Päť záhad, ktoré štandardný model nemôže vysvetliť
- MIT News: 3Q: Vedci odhalia hmotnosť neutrínovej hmoty na polovicu
