Spøgelsespartikel på vægten:Forskning tilbyder mere præcis bestemmelse af neutrinomasse

Hvad er massen af ​​en neutrino i hvile? Dette er et af de store ubesvarede spørgsmål i fysik. Neutrinoer spiller en central rolle i naturen. Et hold ledet af Klaus Blaum, direktør ved Max Planck Institute for Nuclear Physics i Heidelberg, har nu ydet et vigtigt bidrag til at "veje" neutrinoer som en del af det internationale ECHo-samarbejde. Deres resultater er offentliggjort i Nature Physics .

Ved hjælp af en Penning-fælde har den målt ændringen i masse af en holmium-163-isotop med ekstrem præcision, når dens kerne fanger en elektron og bliver til dysprosium-163. Ud fra dette var det i stand til at bestemme Q-værdien 50 gange mere nøjagtigt end før. Ved at bruge en mere præcis Q-værdi kan mulige systematiske fejl i bestemmelsen af ​​neutrinomassen afsløres.

I 1930'erne viste det sig, at hverken energi- eller momentumbalancen er korrekt i en atomkernes radioaktive beta-henfald. Dette førte til postulatet om "spøgelsespartikler", der "hemmeligt" bortfører energi og momentum. I 1956 blev der endelig opnået eksperimentelt bevis for sådanne neutrinoer. Udfordringen:neutrinoer interagerer kun med andre partikler af stof via den svage interaktion, der også ligger til grund for beta-henfaldet af en atomkerne.

Af denne grund kan hundreder af billioner af neutrinoer fra kosmos, især solen, passere gennem vores kroppe hvert sekund uden at forårsage skade. Ekstremt sjældne neutrinokollisioner med andre stofpartikler kan kun detekteres med enorme detektorer.

Solneutrinoer bragte endnu en banebrydende åbenbaring:de tre typer neutrinoer, der er kendt til dato, kan forvandle sig til hinanden. Disse "neutrino-svingninger" havde dog en alvorlig konsekvens for partikelfysikkens verdensbillede. Tidligere blev det antaget, at neutrinoer ikke havde nogen hvilemasse, som fotoner.

Dette ville være kompatibelt med standardmodellen for partikelfysik, den bedste beskrivelse af partikelverdenen til dato. Oscillationerne fremtvang imidlertid en hvilemasse for neutrinoer - en yderligere indikation af, at ny fysik må eksistere ud over standardmodellen.

At kende neutrinoens nøjagtige hvilemasse ville derfor være en åben sesam ind i den ukendte verden af ​​ny fysik. Desværre kan du ikke bare placere en neutrino på en skala. Dette kræver ekstremt komplekse eksperimenter på teknisk tilgængelige fysiske processer, der involverer neutrinoer.

"En måde er tritiums beta-henfald," forklarer Christoph Schweiger, doktorand i Klaus Blaums afdeling ved Max Planck Institute for Nuclear Physics. Her henfalder en af ​​de to neutroner i det supertunge brint til en proton og udsender en elektron og en neutrino og omdanner derved atomet til lettere helium. Denne proces "vejes" af KATRIN-eksperimentet på Karlsruhe Institute of Technology.

"Den komplementære vej er elektronfangsten af ​​den kunstige isotop holmium-163," fortsætter Schweiger. Her fanger atomkernen en elektron fra den indre elektronskal, hvorved en proton omdannes til en neutron, hvilket resulterer i grundstoffet dysprosium-163. Dette frigiver blandt andet også en neutrino. Det internationale ECHo-samarbejde, som Heidelberg-forskerne er involveret i, forsøger at måle denne henfaldsproces energisk med ekstrem præcision.

Ifølge Einsteins E =mc ² , masse og energi er ækvivalente, så måling af energi kan sidestilles med vejning af masser. Som et "kalorimeter" måler ECHo ekstremt nøjagtigt den samlede energi, der frigives i dette henfald:Dette svarer til et maksimum af Q-værdien minus den frigivne neutrino restmasse. Til dette formål er holmium-163 isotopen inkorporeret i et lag af guldatomer.

"Disse guldatomer kan dog have en indflydelse på holmium-163," forklarer Schweiger. "Det er derfor vigtigt at måle værdien af ​​Q så præcist som muligt ved hjælp af en alternativ metode og at sammenligne den med den kalorimetrisk bestemte værdi for at opdage mulige systematiske fejlkilder."

Det er her Heidelberg-pentatrap-eksperimentet og Schweigers doktorafhandling kommer i spil. Pentatrap består af fem Penning-fælder. I disse fælder kan elektrisk ladede atomer fanges i en kombination af et statisk elektrisk og magnetisk felt.

Disse ioner udfører en indviklet "cirkeldans", som gør det muligt at bestemme deres masse med ekstrem præcision. "Med en Airbus A-380 med en maksimal belastning kan du bruge denne følsomhed til at bestemme, om en enkelt dråbe vand er landet på den," siger fysikeren og illustrerer mulighederne for denne superskala.

I princippet fungerer en Penning-fælde som en gynge. Hvis du placerer to børn af forskellig vægt ved siden af ​​hinanden på to gynger af samme type og presser dem lige hårdt, vil du gradvist observere et skift i svingfrekvenserne. Dette kan bruges til at beregne forskellen i vægt mellem de to børn.

I tilfældet med pentatrap-eksperimentet er dette forskellen i masse mellem en holmium-163-ion og en dysprosium-163-ion. Derudover, jo hurtigere begge børn svinger, jo hurtigere opnås resultatet, hvilket også er meget mere nøjagtigt for den samme observationstid end for langsomt svingende.

Af denne grund fjernede holdet 38, 39 og 40 elektroner fra de "højt ladede" ioner i tre forskellige serier af målinger, hvilket gør deres "cirkeldans" betydeligt hurtigere. "Hvis alt virker, vil en måling kun tage et par uger," siger Schweiger.

Fra forskelle i masse som følge af forskellige frekvensmålinger, via E =mc ² Heidelberg-forskerne var endelig i stand til at bestemme en Q-værdi for elektronindfangning, der var 50 gange mere præcis end før. "De tre teorigruppers bidrag, inklusive Christoph Keitels gruppe her på instituttet, var lige så vigtigt som vores måling," understreger Schweiger.

Ud over frekvensforskellen mellem de to ioner har en anden variabel en væsentlig indflydelse på den bestemte Q-værdi:energien lagret i det resterende elektronsystem af en højt ladet ion. Da en så stor ion er et multipartikelsystem, var beregningen tilsvarende kompleks.

Det viste sig, at beregningerne resulterede i næsten nøjagtig de samme Q-værdier for de tre målte ladningstilstande med 38, 39 og 40 elektroner fjernet. Det gjorde det klart, at systematiske usikkerheder i eksperiment og teori kunne udelukkes, understreger Schweiger entusiastisk. Og hvad betyder det for neutrinomasserne?

KATRIN bestemte den mest præcise øvre grænse til dato for neutrinomassen ved at "veje" ved 0,8 elektronvolt pr. lyshastighed i kvadrat, hvilket svarer til ufattelige 0,00000000000000000000000000000000000000014 kilogram.

Denne størrelsesorden på 10 ^-36 svarer cirka til vægtforholdet mellem fire rosiner og solen. Og det er kun en øvre grænse. Analysen af ​​den estimerede massefordeling i universet når endda frem til en væsentligt lavere øvre grænse for neutrinomasserne på 0,12 elektronvolt pr. lyshastighed i anden kvadrat.

"Denne analyse er imidlertid meget kompleks og afhænger af den anvendte kosmologiske model," siger Schweiger. Under alle omstændigheder er det klart, at enhver, der vil veje neutrinoer, står over for ekstreme udfordringer på kanten af, hvad der er teknisk muligt. På denne baggrund er Heidelberg-resultatet et stort skridt fremad på vejen til at løse mysteriet om neutrinomasser.

Flere oplysninger: Direkte højpræcision Penning-trap-måling af Q-værdien af ​​elektronfangsten i 163Ho til bestemmelse af elektronneutrinomassen, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af Max Planck Society