Veľký stroj na počítanie elektrónov nepriamo odhalil meranie najkĺzavejšej známej častice vo fyzike - a pridal k dôkazu o temnej hmote.
Toto meranie je prvým výsledkom medzinárodného úsilia o meranie množstva neutrín - častíc, ktoré zapĺňajú náš vesmír a určujú jeho štruktúru, ktoré však sotva dokážeme zistiť. Podľa nemeckého experimentu Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) Neutrinos nemá viac ako 0,0002% hmotnosti elektrónu. Toto číslo je také nízke, že aj keď sme zhromaždili všetky neutrína vo vesmíre, nedokázali vysvetliť jeho chýbajúcu masu. A táto skutočnosť prispieva k hromade dôkazov o existencii temnej hmoty.
KATRIN je v podstate veľmi veľký stroj na počítanie elektrónov s veľmi vysokou energiou, ktoré vyrazili zo vzorky trícia - rádioaktívnej formy vodíka. s jedným protónom a dvoma neutrónmi v každom atóme. Trícium je nestabilné a jeho neutróny sa rozpadajú na elektrón-neutrínové páry. KATRIN hľadá elektróny a nie neutrína, pretože neutrína sú príliš slabé na presné meranie. Podľa Hamisha Robertsona, emeritéra vedcov a profesorov KATRIN na stroji vo Washingtone, stroj používa plynný trícium, pretože je to jediný elektrónový neutrínový zdroj, ktorý je dosť jednoduchý na to, aby sa z neho dalo získať správne meranie hmotnosti.
Neutrína sú viac-menej nemožné presne zmerať samy o sebe, pretože majú tak malú hmotnosť a majú tendenciu vynechávať detektory bez toho, aby s nimi interagovali. Aby sa zistilo množstvo neutrín, Robertson povedal spoločnosti Live Science, KATRIN počíta energeticky najúčinnejšie elektróny a pracuje od tohto počtu, aby odvodil hmotnosť neutrína. Prvé výsledky KATRINu boli oznámené a vedci dospeli k skorému záveru: Neutriná majú hmotnosť nie vyššiu ako 1,1 elektrón voltov (eV).
Elektrónové volty sú jednotky fyzikov hmoty a energie, ktoré používajú, keď hovoria o najmenších veciach. (V mierke základnej častice sa energia a hmotnosť merajú pomocou rovnakých jednotiek a páry neutrínových elektrónov musia mať kombinované energetické úrovne ekvivalentné zdrojovému neutrónu.) Higgsov bozón, ktorý požičiava ostatným časticiam ich hmotnosť, má hmotnosť 125 miliárd EV. Protóny, častice v strede atómov, majú hmotnosť asi 938 miliónov eV. Elektróny sú iba 510 000 eV. Tento experiment potvrdzuje, že neutrína sú neuveriteľne malé.
KATRIN je veľmi veľký stroj, ale jeho metódy sú jednoduché, povedal Robertson. Prvá komora zariadenia je plná plynného trícia, ktorého neutróny sa prirodzene rozkladajú na elektróny a neutrína. Fyzici už vedia, koľko energie sa podieľa na rozklade neutrónov. Časť energie sa premieňa na hmotu neutrínu a hmotu elektrónu. A zvyšok sa naleje do týchto novo vytvorených častíc, čo veľmi zhruba určuje, ako rýchlo idú. Zvyčajne sa táto extra energia rozdelí dosť rovnomerne medzi elektrón a neutríno. Ale niekedy sa väčšina alebo všetka zvyšná energia dostane do jednej častice alebo do druhej.
V takom prípade sa všetka energia, ktorá zostane po vytvorení neutrínu a elektrónu, dostane do elektrónového partnera a vytvorí super-vysokoenergetický elektrón. To znamená, že sa dá vypočítať hmotnosť neutrínu: Je to energia zahrnutá v rozklade neutrónov mínus hmotnosť elektrónu a maximálna energetická hladina elektrónov v experimente.
Fyzici, ktorí navrhli experiment, sa nepokúšali zmerať neutrína; tie môžu opustiť stroj bezo zmeny. Namiesto toho experiment nasmeruje elektróny do obrovskej vákuovej komory nazývanej spektrometer. Elektrický prúd potom vytvára veľmi silné magnetické pole, cez ktoré môžu prejsť iba elektróny s najvyššou energiou. Na druhom konci tejto komory je zariadenie, ktoré počíta, koľko elektrónov ju prechádza cez pole. Ako KATRIN pomaly zvyšuje silu magnetického poľa, povedal Robertson, počet elektrónov, ktoré prechádzajú, sa zmenšuje - takmer akoby akoby klesal až na nulu. Ale na samom konci tohto spektra úrovní elektrónovej energie sa niečo stane.
"Spektrum náhle zomrie, skôr ako sa dostanete na konečný bod, pretože hmotnosť neutrína nemôže byť elektrónom ukradnutá. Vždy musí zostať pre neutrína," povedal Robertson. Hmotnosť neutrína musí byť menšia ako malé množstvo energie, ktorá chýba od samého konca spektra. A po niekoľkých týždňoch runtime experimentári zúžili toto číslo na asi polovicu z počtu, o ktorom fyzici predtým vedeli.
Myšlienka, že neutrína majú hmotnosť vôbec, je revolučná; Robertson zdôraznil, že štandardný model, základná teória fyziky, ktorý popisuje subatomický svet, kedysi trval na tom, že neutrína nemajú hmotnosť. Už v osemdesiatych rokoch sa ruskí a americkí vedci snažili zmerať neutrínové masy, ale ich výsledky boli problematické a nepresné. Na jednom mieste ruskí vedci viazali hmotnosť neutrína na presne 30 eV - pekné číslo, ktoré by odhalilo neutrína ako chýbajúce spojenie, ktoré by vysvetlilo veľkú gravitačnú štruktúru vesmíru a vyplnilo všetku chýbajúcu masu - ale jednu to sa ukázalo ako nesprávne.
Robertson a jeho kolegovia začali pracovať s plynným tríciom vtedy, keď si uvedomili, že slabo rádioaktívna látka ponúka najpresnejší zdroj neutrónového rozkladu, ktorý má veda k dispozícii.
„Toto bolo dlhé hľadanie,“ povedal Robertson. „Ruské meranie 30 eV bolo veľmi vzrušujúce, pretože by gravitačne uzavrelo vesmír. A z tohto dôvodu je to stále vzrušujúce. Neutrinos zohrávajú veľkú úlohu v kozmológii a pravdepodobne formovali rozsiahlu štruktúru vesmíru.“
Všetky tie slabé častice, ktoré lietajú okolo, ťahajú za všetko svojou gravitáciou a berú a požičiavajú energiu zo všetkých ostatných vecí. Aj keď sa množstvo hmoty zmenšuje, Robertson povedal, presná úloha, ktorú tieto malé častice hrajú, sa komplikuje.
Vedci tvrdia, že číslo 1,1 eV je zaujímavé, pretože je to prvé experimentálne odvodené množstvo neutrínových hmôt, ktoré nie je dosť vysoké na to, aby samo vysvetľovalo štruktúru zvyšku vesmíru.
"Je tu vec, o ktorej ešte nič nevieme. Je tu táto temná hmota," a nemôže byť vyrobený z neutrín, o ktorých vieme, povedal.
Toto malé číslo z veľkej vákuovej komory v Nemecku prinajmenšom prispieva k hromade dôkazov, že vesmír má prvky, ktorým fyzika stále nerozumie.
