KATRIN halverer masseestimatet for den undvigende neutrino

Et internationalt hold af videnskabsmænd har annonceret et gennembrud i deres søgen efter at måle massen af ​​neutrinoen, en af ​​de mest rigelige, dog undvigende, elementarpartikler i vores univers.

På konferencen 2019 Topics in Astropartikel og Undergrundsfysik i Toyama, Japan, ledere fra KATRIN-eksperimentet rapporterede den 13. september, at den estimerede rækkevidde for neutrinoens hvilemasse ikke er større end 1 elektronvolt, eller eV. Disse indledende resultater opnået tidligere på året af Karlsruhe Tritium Neutrino-eksperimentet – eller KATRIN – reducerede masseområdet for neutrinoen med mere end det halve ved at sænke den øvre grænse for neutrinoens masse fra 2 eV til 1 eV. Den nedre grænse for neutrinomassen, 0,02 eV, blev sat af tidligere eksperimenter fra andre grupper.

"At kende massen af ​​neutrinoen vil give videnskabsfolk mulighed for at besvare grundlæggende spørgsmål inden for kosmologi, astrofysik og partikelfysik, såsom hvordan universet udviklede sig, eller hvilken fysik der eksisterer ud over standardmodellen, " sagde Hamish Robertson, en KATRIN-videnskabsmand og professor emeritus i fysik ved University of Washington. "Disse resultater fra KATRIN-samarbejdet reducerer det tidligere masseområde for neutrinoen med en faktor to, sætte strengere kriterier for, hvad neutrinoens masse faktisk er, og giv en vej frem for at måle dens værdi endeligt."

KATRIN-eksperimentet er baseret på Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland og involverer forskere fra 20 forskningsinstitutioner over hele kloden. Ud over University of Washington, KATRIN medlemsinstitutioner i USA er:

• University of North Carolina ved Chapel Hill, ledet af professor i fysik og astronomi John Wilkerson, et tidligere UW fakultetsmedlem
• Massachusetts Institute of Technology, ledet af professor i fysik Joseph Formaggio
• Lawrence Berkeley National Laboratory, ledet af Nuclear Science Divisions vicedirektør Alan Poon
• Carnegie Mellon University, ledet af adjunkt i fysik Diana Parno
• Case Western Reserve University, ledet af lektor i fysik Benjamin Monreal

Under Robertson og Wilkerson, University of Washington blev en af ​​KATRINs stiftende medlemsinstitutioner i 2001. Wilkerson flyttede senere til University of North Carolina ved Chapel Hill. Formaggio og Parno begyndte deres engagement med KATRIN som UW-forskere og flyttede senere til deres nuværende institutioner. Ud over Robertson, andre nuværende UW-forskere, der arbejder på KATRIN-eksperimentet, er forskningsprofessor i fysik Peter Doe, forskningslektor i fysik Sanshiro Enomoto og Menglei Sun, en postdoc-forsker i UW Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics.

Neutrinoer er rigeligt. De er en af ​​de mest almindelige fundamentale partikler i vores univers, næst efter fotoner. Alligevel er neutrinoer også undvigende. De er neutrale partikler uden ladning, og de interagerer kun med andet stof gennem den passende navngivne "svage interaktion, " hvilket betyder, at muligheder for at opdage neutrinoer og måle deres masse er både sjældne og vanskelige.

"Hvis du fyldte solsystemet med bly ud til halvtreds gange ud over Plutos kredsløb, omkring halvdelen af ​​de neutrinoer, der udsendes af solen, ville stadig forlade solsystemet uden at interagere med det bly, " sagde Robertson.

Neutrinoer er også mystiske partikler, der allerede har rystet op i fysikken, kosmologi og astrofysik. Standardmodellen for partikelfysik havde engang forudsagt, at neutrinoer ikke skulle have nogen masse. Men i 2001 videnskabsmænd havde vist med to detektorer, Super-Kamiokande og Sudbury Neutrino Observatory, at de faktisk har en masse, der ikke er nul - et gennembrud anerkendt i 2015 med Nobelprisen i fysik. Neutrinoer har masse, men hvor meget?

"At løse massen af ​​neutrinoen ville føre os ind i en modig ny verden med at skabe en ny standardmodel, " sagde Doe.

KATRIN-opdagelsen stammer fra direkte, højpræcisionsmålinger af, hvordan en sjælden type elektron-neutrino-par deler energi. Denne tilgang er den samme som neutrinomasseeksperimenter fra 1990'erne og begyndelsen af ​​2000'erne i Mainz, Tyskland, og Troitsk, Rusland, som begge satte den tidligere øvre grænse for massen til 2 eV. Hjertet i KATRIN-eksperimentet er kilden, der genererer elektron-neutrino-par:gasformigt tritium, en højradioaktiv isotop af brint. Da tritiumkernen gennemgår radioaktivt henfald, det udsender et par partikler:en elektron og en neutrino, begge deler 18, 560 eV energi.

KATRIN-forskere kan ikke direkte måle neutrinoerne, men de kan måle elektroner, og prøv at beregne neutrinoegenskaber baseret på elektronegenskaber.

De fleste af de elektron-neutrino-par, der udsendes af tritium, deler deres energibelastning ligeligt. Men i sjældne tilfælde, elektronen tager næsten al energien - og efterlader kun en lille smule til neutrinoen. Disse sjældne par er, hvad KATRIN-forskere er ude efter, fordi - takket være E =mc2 - forskerne ved, at den minimale mængde energi, der er tilbage til neutrinoen, skal omfatte dens hvilemasse. Hvis KATRIN nøjagtigt kan måle elektronens energi, de kan beregne neutrinoens energi og derfor dens masse.

Tritiumkilden genererer omkring 25 milliarder elektron-neutrino-par hvert sekund, kun en brøkdel af dem er par, hvor elektronen tager næsten al henfaldsenergien. KATRIN-anlægget i Karlsruhe bruger en kompleks serie af magneter til at kanalisere elektronen væk fra tritiumkilden og mod et elektrostatisk spektrometer, som måler elektronernes energi med høj præcision. Et elektrisk potentiale i spektrometeret skaber en "energigradient", som elektroner skal "bestige" for at passere gennem spektrometeret til detektion. Justering af det elektriske potentiale gør det muligt for forskere at studere de sjældne, højenergielektroner, som bærer information om neutrinomassen.

Amerikanske institutioner har ydet brede bidrag til KATRIN, inklusive at levere elektrondetektorsystemet – KATRINs "øje" – som kigger ind i hjertet af spektrometret, et instrument bygget på UW. University of North Carolina ved Chapel Hill ledede udviklingen af ​​detektorens dataopsamlingssystem, KATRINs "hjerner". MIT's bidrag var design og udvikling af simuleringssoftwaren, der blev brugt til at modellere KATRINs respons. Lawrence Berkeley National Laboratory bidrog til oprettelsen af ​​fysikanalyseprogrammet og gav adgang til nationale computerfaciliteter, og hurtig analyse blev muliggjort af en række applikationer, der stammer fra UW. Case Western Reserve University var ansvarlig for designet af elektronkanonen, central for kalibrering af KATRIN-apparatet. Carnegie Mellon University bidrog primært til analyse, med særlig opmærksomhed på baggrund og tilpasning, og assisteret i analysekoordinering for eksperimentet.

Med tritium-dataindsamling nu i gang, Amerikanske institutioner er fokuseret på at analysere disse data for yderligere at forbedre vores forståelse af neutrinomassen. Disse bestræbelser kan også afsløre eksistensen af ​​sterile neutrinoer, en mulig kandidat til det mørke stof, selvom de tegner sig for 85% af stoffet i universet, forbliver uopdaget.

"KATRIN er ikke kun et lysende fyrtårn for grundforskning og et enestående pålideligt højteknologisk instrument, men også en motor for internationalt samarbejde, som giver førsteklasses uddannelse af unge forskere, " sagde KATRINs medtalsmænd Guido Drexlin fra Karlsruhe Institute of Technology og Christian Weinheimer fra University of Münster i en erklæring.

Nu hvor KATRIN-forskere har sat en ny øvre grænse for neutrinoens masse, projektforskere arbejder på at indsnævre rækkevidden yderligere.

"Neutrinoer er mærkelige små partikler, " sagde Doe. "De er så allestedsnærværende, og der er så meget, vi kan lære, når vi først bestemmer denne værdi."

Det amerikanske energiministeriums kontor for kernefysik har finansieret den amerikanske deltagelse i KATRIN-eksperimentet siden 2007.