Standardni model fizike čestica jedan je od najimpresivnijih podviga znanosti. Čvrst je, precizan napor da se razumiju i opišu tri od četiri temeljne sile svemira: elektromagnetska sila, jaka nuklearna sila i slaba nuklearna sila. Gravitacija je izostala jer je dosad uklapanje u standardni model bilo izuzetno izazovno.
No, u Standardnom modelu postoje neke rupe, a jedna od njih uključuje masu neutrina.
Postojanje neutrina prvi je put predloženo 1930. godine, a zatim otkriveno 1956. Od tada su fizičari saznali da postoje tri vrste neutrina, a oni su obilni i neuhvatljivi. Samo posebni uređaji mogu ih otkriti jer rijetko komuniciraju s drugom materijom. Za njih postoji nekoliko izvora, a neki od njih prolaze kroz svemir od Velikog praska, ali većina neutrina u blizini Zemlje potječe od Sunca.
Standardni model predviđa da neutrini nemaju masu, poput fotona. Ali fizičari su otkrili da se tri vrste neutrina mogu transformirati jedna u drugu dok se kreću. Prema fizičarima, oni bi to mogli učiniti samo ako imaju masu.
Ali koliko mase? To je pitanje koje postavlja fizičare čestica. A odgovor na to pitanje dio je onoga što pokreće znanstvenike iz KATRIN-a (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
„Ovi nalazi u suradnji s KATRIN-om smanjuju prethodni raspon mase neutrina za faktor dva…“
HAMISH ROBERTSON, KATRINSKI ZNANSTVENI I PROFESORSKI EMERITUS FIZIKE NA UNIVERZITETU WASHINGTONA.
Tim istraživača pronašao je dio odgovora na to: masa neutrina ne može biti veća od 1,1 elektrona volta (eV.) Ovo je smanjenje gornje granice mase neutrina za gotovo 1 eV; od 2 eV do 1,1 eV. Izgrađujući prethodne eksperimente kojima je donja granica mase postavljena na 0,02 eV, ovi istraživači postavili su novi raspon za neutrinu masu. Pokazuje da neutrino ima manje od 1/500 000. mase elektrona. Ovo je važan korak u napretku standardnog modela.
„Poznavanje mase neutrina omogućit će znanstvenicima da odgovore na temeljna pitanja iz kosmologije, astrofizike i fizike čestica…“
Hamish Robertson, KATRIN-ov znanstvenik i profesor emeritus fizike na Sveučilištu Washington.
Istraživači koji stoje iza ovog rada dolaze iz 20 različitih istraživačkih institucija širom svijeta. Rade s KATRIN-om na Karlsruhe Institute of Technology u Njemačkoj. KATRIN objekt ima spektrometar visoke rezolucije 10 metara koji mu omogućuje da mjeri energiju elektrona s velikom preciznošću.
KATRIN tim predstavio je svoje rezultate na konferenciji Topics in Astroparticle and Underground Physics 2019 u Toyami u Japanu 13. rujna.
"Poznavanje mase neutrina omogućit će znanstvenicima da odgovore na osnovna pitanja iz kozmologije, astrofizike i fizike čestica, kao na primjer kako se svemir razvio ili što fizika postoji izvan standardnog modela", rekao je Hamish Robertson, KATRIN-ov znanstvenik i profesor emeritus fizike na Sveučilištu Washington. "Ova otkrića suradnje KATRIN smanjuju prethodni raspon mase neutrina za faktor dva, postavljaju strože kriterije o tome koja je zapravo masa neutrina i pružaju put prema naprijed za konačno mjerenje njegove vrijednosti."
Neutrine je, očito, teško detektirati, iako ih ima u izobilju. Samo su fotoni obilniji. Kao što im ime kaže, oni su električno neutralni. To ih izuzetno otkriva. Postoje neutrino promatračnice potopljene duboko u ledu na Antarktiku, a također duboko u napuštenim rudnicima. Često koriste tešku vodu kako bi zavodili neutrine za interakciju. Kada neutrino djeluje, on proizvodi Čerenkovo zračenje koje se može mjeriti.
"Ako biste ispunili Sunčev sustav pedeset puta izvan orbite Plutona, otprilike polovina neutrina koje emitira Sunce i dalje bi napustila Sunčev sustav bez interakcije s tim olovom", rekao je Robertson.
Povijest neutrina razvijala se s vremenom eksperimentima poput KATRIN-a. Izvorno je standardni model predvidio da neutrini neće imati masu. Ali 2001., dva različita detektora pokazala su da njihova masa nije jednaka nuli. Nobelova nagrada za fiziku za 2015. dodijeljena je dvojici znanstvenika koji su pokazali da neutrini mogu oscilirati između tipova, pokazujući da imaju masu.
KATRIN postrojenje mjeri masu neutrina posredno. Djeluje nadgledanjem propadanja tritija, koji je visoko-radioaktivni oblik vodika. Kako raspada tritijum izotop, on emitira parove čestica: elektron i anti-neutrino. Zajedno dijele 18.560 eV energije.
U većini slučajeva par čestica dijeli 18.560 eV jednako. Ali u rijetkim slučajevima, elektron prosipa većinu energije, a neutrinu ostavlja vrlo malo. Na ove su rijetke slučajeve usmjereni znanstvenici.
Zbog E = mC2, malena količina energije koja ostaje za neutrinom u tim rijetkim slučajevima mora biti jednaka njegovoj masi. Budući da KATRIN ima moć preciznog mjerenja elektrona, također može odrediti neutrinu masu.
"Rješavanje mase neutrina odvelo bi nas u hrabar novi svijet stvaranja novog standardnog modela", rekao je Peter Doe, profesor fizike sa Sveučilišta u Washingtonu koji radi na KATRIN-u.
Novi standardni model koji Doe spominje može imati potencijala za obradu tamne materije, koja čini većinu materije u svemiru. Napori poput KATRIN-a mogu jednog dana otkriti drugi, četvrti tip neutrina koji se naziva sterilni neutrino. Za sada je ovaj četvrti tip samo pretpostavka, ali kandidat je za tamnu materiju.
"Neutrini su čudne male čestice", rekao je Doe. "Oni su tako sveprisutni i toliko možemo naučiti nakon što utvrdimo ovu vrijednost."
Pokazivanje da neutrini imaju masu i ograničavaju raspon te mase su oboje važni. Ali fizičari čestica još uvijek ne znaju na koji način dobivaju svoju masu. To je vjerojatno drugačije od onoga kako ostale čestice dobivaju svoje.
Rezultati poput KATRIN-a pomažu u zatvaranju rupa u Standardnom modelu i u našem cjelovitom razumijevanju Svemira. Svemir je pun drevnih neutrina iz Velikog praska, a svako napredovanje mase neutrina pomaže nam shvatiti kako se Svemir formirao i razvijao.
Više:
- Priopćenje za javnost: KATRIN je prepolovio procjenu mase neuhvatljivog neutrina
- Karlsruhe tehnološki institut: KATRIN
- CERN: Standardni model
- Časopis Symmetry: Pet misterija koji standardni model ne može objasniti
- MIT News: 3Q: Znanstvenici brišu procjenu mase neutrina u pola
