Veliki stroj za brojanje elektrona neizravno je pokazao mjerenje najslabije poznate čestice u fizici - i dodao je dokaz za tamnu tvar.
To je mjerenje prvi rezultat međunarodnog napora za mjerenje mase neutrina - čestica koje ispunjavaju naš svemir i određuju njegovu strukturu, ali koje mi jedva možemo otkriti. Neutrini, prema njemačkom pokusu Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), nemaju više od 0,0002% mase elektrona. Taj je broj toliko nizak da čak i kada bismo zbrojili sve neutrine u svemiru, ne bi mogli objasniti njegovu nedostajuću masu. A ta činjenica dodaje gomilu dokaza za postojanje tamne materije.
KATRIN je u osnovi vrlo veliki stroj za brojanje super-visokoenergetskih elektrona koji su izbili iz uzorka tricija - radioaktivnog oblika vodika. s jednim protonom i dva neutrona u svakom atomu. Tritij je nestabilan, a njegovi neutroni se raspadaju u elektro-neutrinske parove. KATRIN traži elektrone, a ne neutrine jer su neutrini premalo precizni za mjerenje. A stroj koristi tritij plin, prema Hamishu Robertsonu, KATRIN-ovu znanstvenici i profesoru emeritusu sa Sveučilišta u Washingtonu, jer je jedini izvor elektrona neutrina dovoljno jednostavan da bi se iz njega moglo dobro izmjeriti.
Neutrinove je manje ili više nemoguće precizno izmjeriti sami, jer imaju tako malu masu i skloni su preskočiti detektore bez interakcije s njima. Kako bi utvrdio masu neutrina, rekao je Robertson za Live Science, KATRIN broji najenergičnije elektrone i djeluje unatrag od tog broja da bi zaključio masu neutrina. Objavljeni su prvi rezultati KATRIN-a, a istraživači su došli do ranog zaključka: Neutrinovi imaju masu ne veću od 1,1 elektrona volta (eV).
Elektronski volti su jedinice mase i energije koje fizičari koriste kada govore o najmanjim stvarima u svemiru. (Na skali temeljnih čestica, energija i masa mjere se istim jedinicama, a neutrino-elektronski parovi moraju imati kombinirane razine energije jednake izvoru neutrona.) Higgsov bozon, koji ostalim česticama daje njihovu masu, ima masa od 125 milijardi EV. Protoni, čestice u središtu atoma, imaju mase od oko 938 milijuna eV. Elektroni su samo 510 000 eV. Ovaj eksperiment potvrđuje da su neutrini nevjerojatno sitni.
KATRIN je vrlo velik stroj, ali njegove metode su izravne, rekao je Robertson. Prva komora uređaja puna je plinovitih tritija, čiji se neutroni prirodno raspadaju u elektrone i neutrine. Fizičari već znaju koliko energije uključuje kada raspada neutron. Dio energije pretvara se u masu neutrina i masu elektrona. A ostatak se izlije u te novostvorene čestice, vrlo grubo diktirajući kako brzo idu. Obično se ta dodatna energija prilično ravnomjerno raspoređuje između elektrona i neutrina. Ali ponekad se većina ili sva preostala energija baci u jednu ili drugu česticu.
U tom slučaju, sva preostala energija koja nastaje nakon formiranja neutrina i elektrona odbacuje se u partnera elektrona, formirajući super-visoko-energetski elektron, rekao je Robertson. To znači da se masa neutrina može izračunati: To je energija uključena u raspadanje neutrona umanjena za masu elektrona i maksimalnu razinu energije elektrona u eksperimentu.
Fizičari koji su dizajnirali eksperiment nisu pokušali izmjeriti neutrine; onima je dopušteno netaknuti stroj. Umjesto toga, eksperiment usmjerava elektrone u ogromnu vakuumsku komoru, nazvanu spektrometar. Električna struja tada stvara vrlo snažno magnetsko polje kroz koje mogu proći samo elektroni najviše energije. Na drugom kraju te komore nalazi se uređaj koji broji koliko elektrona prolazi kroz polje. Kako KATRIN polako povećava snagu magnetskog polja, rekao je Robertson, broj elektrona koji prolaze kroz smanjivanje - gotovo kao da će izblijediti sve do nule. No na kraju tog spektra razina energije elektrona događa se nešto.
"Spektar iznenada umire, prije nego što dođete do krajnje točke, jer masu neutrina elektron ne može ukrasti. Uvijek ga treba zaostati za neutrima", rekao je Robertson. Masa neutrina mora biti manja od malene količine energije koja nedostaje sa samog kraja spektra. I nakon nekoliko tjedana izvođenja, eksperimentalni stručnjaci su smanjili taj broj na oko polovicu broja o kojem su fizičari ranije znali.
Ideja da neutrini uopće imaju masu je revolucionarna; Standardni model, teorija fizike osnove koja opisuje subatomski svijet, jednom inzistirani neutrini uopće nemaju masu, istaknuo je Robertson. Još u 80-ima, ruski i američki istraživači pokušavali su izmjeriti neutrinske mase, ali njihovi su rezultati bili problematični i neprecizni. U jednom su trenutku ruski istraživači prikupili masu neutrina na točno 30 eV - lijep broj koji bi otkrio neutrine kao vezu koja nedostaje i koja bi objasnila veliku gravitacijsku strukturu svemira, popunjavajući svu nestalu masu - ali jednu pokazalo se da nije u redu.
Robertson i njegovi kolege najprije su počeli raditi s plinovitim tritijemom, nakon što su shvatili da pomalo radioaktivna tvar nudi najprecizniji izvor raspada neutrona koji je dostupan znanosti.
"Ovo je dugo traženje", rekao je Robertson. "Rusko mjerenje 30 eV bilo je vrlo uzbudljivo jer bi gravitacijski zatvorio svemir. I zbog toga je i dalje uzbudljivo. Neutrini igraju veliku ulogu u kozmologiji i oni su vjerojatno oblikovali strukturu svemira velikih razmjera."
Sve te slabašne čestice lete oko vlake na sve ostalo svojom gravitacijom, te uzimaju i pozajmljuju energiju iz sve ostale materije. Iako se masni broj smanjuje, Robertson je rekao, precizna uloga ovih malih čestica postaje sve složenija.
Broj 1.1 eV, rekao je istraživač, zanimljiv je jer je to prvi eksperimentalno dobiveni broj neutrino mase koji nije dovoljno visok da bi sam objasnio strukturu ostatka svemira.
"Postoji materija o kojoj još uvijek nije poznato. Postoji ta tamna tvar", a ona se ne može sastojati od neutrina o kojima znamo, rekao je.
Tako taj mali broj iz velike vakuumske komore u Njemačkoj u najmanju ruku dodaje gomilu dokaza da svemir ima elemente koje fizika još uvijek ne razumije.
