Søg efter sterile neutrinoer:Det handler om en bøjning i kurven

Der er mange spørgsmål omkring elementarpartikelneutrinoen, især med hensyn til dens masse. Fysikere er også interesserede i, om der udover de 'klassiske' neutrinoer findes varianter som de såkaldte sterile neutrinoer. KATRIN-eksperimentet er nu lykkedes med kraftigt at indsnævre søgningen efter disse undvigende partikler. Publikationen udkom for nylig i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Strengt taget, neutrinoen er ikke en enkeltpartikel, men omfatter flere arter:elektronneutrinoen, myon neutrinoen, og tau neutrinoen. Disse partikler omdannes konstant til hinanden i en proces, der kaldes neutrinoscillation. Det antages, at neutrinoer har masse; dette skal bestemmes i KATRIN-eksperimentet, som startede i 2019 på Karlsruhe Institute for Technology (KIT). Ifølge resultaterne til dato, neutrinoen har en masse mindre end 1 elektronvolt.

KATRIN kunne også bruges til at opspore beslægtede arter, der hidtil kun har været hypotetiske:De sterile neutrinoer. Den tungere gren (masse i kiloelektronvolt-område) betragtes som en kandidat til mørkt stof og vil blive søgt efter en ny detektor er installeret i KATRIN. Udover dette, der kunne også en lettere steril neutrinotype.

Nye eksklusionskriterier for den lette sterile neutrino

En hel del eksperimenter leder efter lette sterile neutrinoer (masse i elektronvoltområdet). Det kunne også afsløre sig selv i KATRIN-eksperimentet. Massen og blandingsforholdet mellem aktive (normale) og sterile neutrinoer spiller en væsentlig rolle i søgen efter den lette sterile neutrino.

Susanne Mertens og hendes team på Max Planck Instituttet for Fysik (MPP) lykkedes med at definere nye eksklusionsgrænser med hjælp fra KATRIN. "Med vores evalueringer, vi var i stand til at reducere søgeområdet for denne neutrino markant, siger Mertens.

Med den nye analyse af KATRIN-dataene, udviklet af gruppen af ​​Susanne Mertens og Thierry Lasserre på MPP, eksistensen af ​​sterile neutrinoer med en masse mellem omkring 3 og 30 elektronvolt og et blandingsforhold på mere end 10 % kan nu udelukkes. Dette resultat supplerer tidligere opnåede eksklusionsgrænser.

Søg ved at måle neutrinomassen

Men hvordan kan KATRIN finde sterile neutrinoer? Ved at bruge samme metode, eksperimentet bestemmer også massen af ​​den aktive neutrino. Neutrinoens masse kan måles via radioaktivt henfald. KATRIN bruger tritium (tungt vand) til dette formål. Når en proton omdannes til en neutron, der produceres en neutrino og en elektron. Henfaldsenergien på 18,6 kiloelektronvolt er delt mellem dem.

"Vi ved, at neutrinoen er ekstremt let og kun modtager en lille brøkdel af henfaldsenergien, " siger Mertens. "Elektronens maksimale energi reduceres med neutrinoens masse." Neutrinoens masse skyldes derfor forskellen mellem henfaldsenergien og elektronens maksimale energi.

Påvisningen af ​​den lette sterile neutrino ville følge samme princip. Hvis der også frigives sterile neutrinoer under radioaktivt henfald, det ville efterlade et synligt spor i elektronernes energispektrum. "Så ville der opstå et tydeligt sving i kurven", forklarer Mertens. "Dette ville give KATRIN mulighed for ikke kun at bestemme massen af ​​aktive neutrinoer, men også bevise eksistensen af ​​en anden neutrino-art."