Neutrina są lżejsze niż 0,8 elektronowolt
Nowy rekord świata: eksperyment KATRIN ogranicza masę neutrina z niespotykaną dotąd precyzją.
Neutrina są prawdopodobnie najbardziej zdumiewającymi cząstkami elementarnymi w naszym świecie. W kosmologii odgrywają ważną rolę w tworzeniu struktur wielkoskalowych, podczas gdy w fizyce cząstek elementarnych ich niewielka, ale niezerowa masa oddziela je od siebie, wskazując na nowe zjawiska fizyczne, wykraczające poza nasze obecne teorie. Bez pomiaru skali masy neutrin nasze zrozumienie wszechświata pozostanie niepełne.
Naukowcy często nazywają neutrina „cząstką-duchem”, ponieważ nigdy nie oddziałują one z inną materią.
To jest międzynarodowe wyzwanie Kairlsruhe TRtiom nEksperyment z eutrinami (KATRIN) w Instytucie Technologii w Karlsruhe (KIT) z partnerami z sześciu krajów jest najczulszym miernikiem neutrin na świecie. Wykorzystuje rozpad beta trytu, niestabilnego izotopu wodoru, do określenia masy neutrina poprzez rozkład energii elektronów uwalnianych w procesie rozpadu. Wymaga to dużego wysiłku technicznego: 70-metrowy eksperyment obejmuje najgęstsze na świecie źródło trytu, a także gigantyczny spektrometr do pomiaru energii rozpadu elektronów z niespotykaną dotąd dokładnością.
Montaż elektrod w głównym spektrometrze eksperymentu KATRIN. Źródło: Joachim Wolf/KIT
Wysoka jakość danych po rozpoczęciu pomiarów naukowych w 2019 r. była stale poprawiana w ciągu ostatnich dwóch lat. „KATRIN to eksperyment o najwyższych wymaganiach technologicznych, który teraz działa jak idealny zegarek” – zachwyca się Guido Drexlin (KIT), kierownik projektu i jeden z prelegentów biorących udział w eksperymencie. Christiana Weinheimera ([{” attribute=””>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”
Data analysis
The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.
The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration
The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).
Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”
Dodatkowe pomiary powinny poprawić czułość
Rzecznicy KATRIN i koordynatorzy analiz patrzą w przyszłość bardzo optymistycznie: „Dodatkowe pomiary mas neutrin potrwają do końca 2024 roku. Aby w pełni wykorzystać potencjał tego unikalnego eksperymentu, nie tylko zwiększymy statystyki zdarzeń sygnałowych, stale się rozwijamy i instalowanie ulepszeń w celu dalszego zmniejszenia wskaźnika tła”.
Rozwój nowego systemu detektorów (TRISTAN) odgrywa w tym decydującą rolę, umożliwiając firmie KATRIN od 2025 r. rozpoczęcie poszukiwań „sterylnych” neutrin o masach w zakresie kiloelektronowoltów, kandydata na tajemniczą ciemną materię we wszechświecie. co przejawiało się już w wielu obserwacjach astrofizycznych i kosmologicznych, ale jego cząsteczkowo-fizyczna natura jest wciąż nieznana.
Odniesienie: „Bezpośredni pomiar masy neutrin z czułością poniżej eV” 14 lutego 2022 r. Dostępne tutaj. Fizyka Przyrody.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01463-1