Standardní model fyziky částic je jedním z nejpůsobivějších prvků vědy. Je to přísné a přesné úsilí pochopit a popsat tři ze čtyř základních sil vesmíru: elektromagnetickou sílu, silnou jadernou sílu a slabou jadernou sílu. Gravitace chybí, protože její montáž do standardního modelu byla dosud velmi náročná.
Ve standardním modelu jsou však některé díry a jedna z nich zahrnuje hmotnost neutrina.
Existence neutrina byla poprvé navržena v roce 1930, poté odhalena v roce 1956. Od té doby se fyzikové dozvěděli, že existují tři typy neutrin, a jsou hojní a nepolapitelní. Detekovat je mohou pouze speciální zařízení, protože zřídka interagují s jinou hmotou. Existuje pro ně několik zdrojů a některé z nich od zipu od Velkého třesku zipují, ale většina neutrin v blízkosti Země pochází ze Slunce.
Standardní model předpovídá, že neutrina nemají hmotnost, jako fotony. Fyzici však zjistili, že tyto tři typy neutrin se mohou při pohybu přeměnit na sebe. Podle fyziků by to měli dělat jen tehdy, pokud mají masu.
Ale kolik hmoty? To je otázka, kterou psí fyzici částic. A odpověď na tuto otázku je součástí toho, co vede vědce v KATRINu (experiment Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Tato zjištění při spolupráci KATRINu redukují předchozí hmotnostní rozsah pro neutrino dvojnásobně ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN VĚDEC A PROFESOR EMERITUS FYZIKY NA UNIVERZITĚ WASHINGTON.
Tým vědců přišel s částečnou odpovědí na tuto otázku: hmotnost neutrina nesmí být větší než 1,1 elektronového napětí (eV). Jedná se o snížení horní hranice hmotnosti neutrin o téměř 1 eV; od 2 eV do 1,1 eV. Na základě předchozích experimentů, které stanovily dolní hmotnostní limit na 0,02 eV, tito vědci stanovili nový rozsah pro hmotnost neutrina. Ukazuje, že neutrino má méně než 1 500 000th hmoty elektronu. Jedná se o důležitý krok v rozvoji standardního modelu.
"Znalost hmotnosti neutrina umožní vědcům odpovědět na základní otázky v kosmologii, astrofyzice a fyzice částic ..."
Hamish Robertson, KATRIN vědec a profesor emeritus fyziky na University of Washington.
Vědci, kteří stojí za touto prací, pocházejí z 20 různých výzkumných institucí po celém světě. Pracují s KATRINem na technologickém institutu v Karlsruhe v Německu. Zařízení KATRIN je vybaveno 10metrovým spektrometrem s vysokým rozlišením, který mu umožňuje velmi přesně měřit energie elektronů.
Tým KATRIN představil své výsledky na konferenci Témata v astropartiku a podzemní fyzice v roce 2019 v japonském Toyamě 13. září.
"Znalost hmotnosti neutrina umožní vědcům odpovědět na základní otázky v kosmologii, astrofyzice a fyzice částic, jako je vývoj vesmíru nebo to, co fyzika existuje nad rámec standardního modelu," řekl Hamish Robertson, vědec KATRIN a profesor fyziky na University of Washington. "Tato zjištění při spolupráci KATRINu redukují předchozí hmotnostní rozsah pro neutrino dvojnásobně, stanovují přísnější kritéria pro to, co hmotnost neutrina skutečně je, a poskytují cestu vpřed, aby bylo možné definitivně změřit jeho hodnotu."
Neutrinos je notoricky obtížně detekovatelný, přestože jsou hojné. Bohatější jsou pouze fotony. Jak říká jejich jméno, jsou elektricky neutrální. Díky tomu je jejich odhalení extrémně obtížné. Existují neutrinová observatoře zapuštěná hluboko v antarktickém ledu a také hluboko v opuštěných dolech. Často používají těžkou vodu, aby nalákali neutrina k interakci. Když neutrino interaguje, produkuje Cherenkovovo záření, které lze měřit.
"Pokud jste naplnili sluneční soustavu olovem až padesátkrát za oběžnou dráhou Pluta, asi polovina neutrin vyzařovaných Sluncem by stále opouštěla sluneční soustavu, aniž by s tímto vedením reagovala," řekl Robertson.
Historie neutrina se postupem času vyvíjí experimenty jako KATRIN. Původně předpokládal standardní model, že neutrina nebudou mít žádnou hmotu. Ale v roce 2001 dva různé detektory ukázaly, že jejich hmotnost je nenulová. Nobelova cena za fyziku ve fyzice za rok 2015 byla udělena dvěma vědcům, kteří ukázali, že neutrina mohou kmitat mezi jednotlivými typy, což ukazuje, že mají masu.
Zařízení KATRIN nepřímo měří množství neutrin. Funguje tak, že sleduje rozklad tritia, což je vysoce radioaktivní forma vodíku. Jak se rozkládá izotop tritia, emituje páry částic: elektron a ant neutrino. Společně sdílejí 18 560 eV energie.
Ve většině případů dvojice částic sdílí 18,560 eV stejně. V ojedinělých případech však elektron zabírá většinu energie a neutrino ponechává jen velmi málo. Na tyto vzácné případy se vědci zaměřují.
Kvůli E = mC2, malé množství energie, které zbývá neutrinu v těchto vzácných případech, se musí rovnat i jeho hmotnosti. Protože KATRIN má schopnost přesně měřit elektron, je také schopen určit hmotnost neutrina.
"Řešení hmoty neutrina by nás vedlo do statečného nového světa vytváření nového standardního modelu," řekl Peter Doe, profesor fyziky z University of Washington, který pracuje na KATRINu.
Tento nový standardní model, o kterém se zmiňuje Doe, může mít potenciál vysvětlit temnou hmotu, která tvoří většinu hmoty ve vesmíru. Úsilí jako KATRIN může jednoho dne odhalit další, čtvrtý typ neutrina, který se nazývá sterilní neutrino. Doposud je tento čtvrtý typ pouze dohadem, ale je kandidátem na temnou hmotu.
"Neutrina jsou podivné malé částice," řekl Doe. "Jsou tak všudypřítomní a můžeme se toho tolik naučit, jakmile určíme tuto hodnotu."
Důležité je ukázat, že neutrina mají hmotnost a omezují rozsah této hmoty. Fyzikové částic však stále nevědí, jak získají svou hmotnost. Pravděpodobně je to jiné, než to, jak získají jiné částice.
Výsledky, jako je tento, od KATRINu pomáhají uzavřít díru ve standardním modelu a v našem celkovém porozumění vesmíru. Vesmír je plný starověkých neutrin z Velkého třesku a každý pokrok v hmotě neutrina nám pomáhá pochopit, jak se vesmír vyvíjel a vyvíjel.
Více:
- Tisková zpráva: KATRIN snižuje odhad hmotnosti nepolapitelného neutrina na polovinu
- Technologický institut v Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Standardní model
- Symmetry Magazine: Pět záhad, které standardní model nemůže vysvětlit
- MIT News: 3Q: Vědci oholí odhad hmotnosti neutrina na polovinu
