Forskere barberer estimatet af neutrinos masse i halvdelen

Et internationalt team af forskere, herunder forskere på MIT, er kommet tættere på at fastgøre massen af ​​den undvigende neutrino. Disse spøgelseslignende partikler gennemsyrer universet og menes alligevel at være næsten masseløse, strømmer af millioner gennem vores kroppe og efterlader næsten ingen fysiske spor.

Forskerne har fastslået, at massen af ​​neutrino ikke må være mere end 1 elektron volt. Forskere estimerede tidligere den øvre grænse for neutrinoens masse til at være omkring 2 elektronvolt, så dette nye estimat barberer neutrinoens masseområde ned med mere end halvdelen.

Det nye skøn blev bestemt på grundlag af data taget af KATRIN, Karlsruhe Tritium Neutrino -eksperimentet, ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland, og rapporterede på konferencen om astropartikel og underjordisk fysik i sidste uge i 2019. Eksperimentet får tritiumgas til at henfalde, som igen frigiver neutrinoer, sammen med elektroner. Mens neutrinoerne hurtigt forsvinder, KATRINs sekvens af magneter leder tritiums elektroner ind i hjertet af forsøget-et kæmpe 200-ton spektrometer, hvor elektronernes masse og energi kan måles, og derfra, forskere kan beregne massen af ​​de tilsvarende neutrinoer.

Joseph Formaggio, professor i fysik ved MIT, er et førende medlem af KATRIN -forsøgsgruppen, og talte med MIT News om det nye skøn og vejen frem i neutrinosøgningen.

Sp:Neutrino, baseret på KATRINs resultater, kan ikke være mere massiv end 1 elektron volt. Sæt denne kontekst for os:Hvor let er dette, og hvor stor en aftale er det, at neutrinoens maksimale masse kan være halvdelen af, hvad folk tidligere troede?

En brønd, det er lidt af et svært spørgsmål da mennesker (inklusive mig selv) ikke rigtig har en intuitiv fornemmelse af, hvad massen er af en partikel, men lad os prøve. Overvej noget meget lille, som en virus. Hver virus består af cirka 10 millioner protoner. Hver proton vejer cirka 2, 000 gange mere end hver elektron inde i den virus. Og hvad vores resultater viste er, at neutrinoen har en masse mindre end 1/500, 000 af en enkelt elektron.

Lad mig sige det på en anden måde. I hver kubikcentimeter plads omkring dig, der zipper omkring 300 neutrinoer igennem. Disse er rester af det tidlige univers, lige efter Big Bang. Hvis du tilføjede alle neutrinoerne, der er inde i solen, du ville få omkring et kilo eller mindre. Så, ja, den er lille.

Sp:Hvad gik ud på at bestemme denne nye massegrænse for neutrino, og hvad var MITs rolle i søgningen?

A:Denne nye massegrænse kommer fra at studere det radioaktive henfald af tritium, en isotop af brint. Når tritium forfalder, det producerer en helium-3-ion, en elektron, og en antineutrino. Vi ser faktisk aldrig antineutrino, imidlertid; elektronen bærer information om neutrinos masse. Ved at studere energifordelingen af ​​elektronerne, der skubbes ud ved de højeste tilladte energier, vi kan udlede massen af ​​neutrino, takket være Einsteins ligning, E =mc ² .

Imidlertid, at studere disse elektroner med høj energi er meget svært. For én ting, alle oplysninger om neutrinoen er indlejret i en lille brøkdel af spektret - mindre end 1 milliardedel af henfald er nyttige til denne måling. Så, vi har brug for en masse tritium inventar. Vi er også nødt til at måle energien af ​​disse elektroner meget, meget præcist. Det er derfor, KATRIN -eksperimentet er så vanskeligt at bygge. Vores allerførste måling, der præsenteres i dag, er kulminationen på næsten to årtiers hårdt arbejde og planlægning.

MIT sluttede sig til KATRIN -eksperimentet, da jeg kom til Boston i 2005. Vores gruppe hjalp med at udvikle simuleringsværktøjerne til at forstå vores detektors reaktion på høj præcision. For nylig, vi har været med til at udvikle værktøjer til at analysere de data, der er indsamlet ved forsøget.

Sp:Hvorfor betyder massen af ​​et neutrino noget, og hvad vil det tage for at nulstille den nøjagtige masse?

A:Det faktum, at neutrinoer overhovedet har nogen masse, var en overraskelse for mange fysikere. Vores tidligere modeller forudsagde, at neutrinoen skulle have nøjagtig nulmasse, en antagelse fjernet ved opdagelsen af, at neutrinoer svinger mellem forskellige typer. Det betyder, at vi ikke rigtig forstår mekanismen, der er ansvarlig for neutrino -masser, og det er sandsynligvis meget anderledes end hvordan andre partikler opnår masse. Også, vores univers er fyldt med urneutrinoer fra Big Bang. Selv en lille masse har en betydelig indvirkning på universets struktur og udvikling, fordi de er så rigelige.

Denne måling repræsenterer kun begyndelsen på KATRINs måling. Med kun cirka en måneds data, vi var i stand til at forbedre tidligere eksperimentelle grænser med en faktor to. I løbet af de næste par år, disse grænser vil støt forbedres, forhåbentlig resulterer i et positivt signal (snarere end kun en grænse). Der er også en række andre direkte neutrinomasseeksperimenter i horisonten, der også konkurrerer om at nå større følsomhed, og med det, opdagelse.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.