Velký stroj na počítání elektronů nepřímo objevil měření nejklouzavější známé částice ve fyzice - a přidal se k důkazu temné hmoty.
Toto měření je prvním výsledkem mezinárodního úsilí o měření hmotnosti neutrin - částic, které zaplňují náš vesmír a určují jeho strukturu, ale které sotva dokážeme detekovat. Podle německého experimentu Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), Neutrinos, nemá více než 0,0002% hmotnosti elektronu. Toto číslo je tak nízké, že i když jsme shromáždili všechny neutrina ve vesmíru, nedokázali vysvětlit jeho chybějící hmotnost. A tato skutečnost přispívá k hromadě důkazů o existenci temné hmoty.
KATRIN je v podstatě velmi velký stroj pro počítání super-vysokoenergetických elektronů, které propukly ze vzorku tritia - radioaktivní formy vodíku. s jedním protonem a dvěma neutrony v každém atomu. Tritium je nestabilní a jeho neutrony se rozpadají na páry elektron-neutrino. KATRIN hledá elektrony a ne neutrina, protože neutrina jsou příliš slabá na přesné měření. A stroj používá plynný tritium, podle Hamish Robertsona, vědce a emerita profesora KATRIN na University of Washington, protože je to jediný zdroj neutronů elektronů, který je natolik jednoduchý, aby z něj bylo získáno dobré měření hmotnosti.
Neutrina je víceméně nemožná přesně měřit sama, protože mají tak malou hmotnost a mají tendenci vynechávat detektory, aniž by s nimi interagovaly. Abychom zjistili hmotnost neutrin, Robertson řekl Live Science, KATRIN počítá nejenergičtější elektrony a pracuje zpětně od tohoto počtu, aby z nich odvodil hmotnost neutrin. První výsledky z KATRINu byly oznámeny a vědci dospěli k rychlému závěru: Neutrinos mají hmotnost ne vyšší než 1,1 elektronového voltu (eV).
Elektronové volty jsou jednotky hmotných a energetických fyziků, které používají, když mluví o nejmenších věcech ve vesmíru. (V měřítku základní částice jsou energie a hmotnost měřeny pomocí stejných jednotek a páry neutrino-elektronů musí mít kombinované energetické hladiny ekvivalentní jejich zdrojovému neutronu.) Higgsův boson, který propůjčuje ostatním částečkám jejich hmotnost, má hmotnost 125 miliard EV. Protony, částice ve středu atomů, mají hmotnosti asi 938 milionů eV. Elektrony jsou pouhé 510 000 eV. Tento experiment potvrzuje, že neutrina jsou neuvěřitelně malá.
KATRIN je velmi velký stroj, ale jeho metody jsou jednoduché, řekl Robertson. První komora zařízení je plná plynného tritia, jehož neutrony se přirozeně rozkládají na elektrony a neutrina. Fyzici již vědí, kolik energie je zapojeno, když se neutron rozpadne. Část energie je přeměněna na hmotnost neutrin a hmotnost elektronů. A zbytek se nalije do těchto nově vytvořených částic, což velmi zhruba diktuje, jak rychle jdou. Obvykle se tato extra energie distribuuje docela rovnoměrně mezi elektron a neutrin. Ale někdy se většina nebo veškerá zbývající energie dostane do jedné nebo druhé částice.
V takovém případě je veškerá energie, která zbyla po vytvoření neutrin a elektronu, vhozena do elektronového partnera, čímž se vytvoří super-vysokoenergetický elektron, řekl Robertson. To znamená, že lze vypočítat hmotnost neutrina: Jedná se o energii zapojenou do neutronového rozkladu mínus hmotnost elektronu a maximální energetická hladina elektronů v experimentu.
Fyzici, kteří experiment navrhli, se nepokusili změřit neutrina; tito mají dovoleno uniknout stroji nedotčený. Místo toho experiment převádí elektrony do obří vakuové komory, která se nazývá spektrometr. Elektrický proud pak vytváří velmi silné magnetické pole, kterým mohou projít pouze elektrony s nejvyšší energií. Na druhém konci této komory je zařízení, které spočítá, kolik elektronů je přes pole. Jak KATRIN pomalu zvyšuje sílu magnetického pole, řekl Robertson, počet elektronů procházejících skrz se zmenšuje - téměř, jako by se mizel až k nule. Ale na samém konci tohoto spektra úrovní elektronové energie se něco stane.
"Spektrum náhle zemře, než dosáhnete koncového bodu, protože hmotnost neutrina nemůže být elektronem ukradena. Vždy musí zůstat pro neutrina pozadu," řekl Robertson. Hmotnost neutrina musí být menší než malé množství energie chybějící od samého konce spektra. A po několika týdnech běhu experimenty zúžili toto číslo na asi polovinu z počtu, o kterém fyzici dříve věděli.
Myšlenka, že neutrina mají vůbec hmotnost, je revoluční; standardní model, hlavní teorie fyziky, která popisuje subatomický svět, kdysi trvala na tom, že neutrina nemají vůbec žádnou hmotu, zdůraznil Robertson. Už v 80. letech se ruští a američtí vědci snažili měřit neutrinové masy, ale jejich výsledky byly problematické a nepřesné. Na jednom místě, ruští vědci zavěšili hmotnost neutrina přesně na 30 eV - pěkné číslo, které by odhalilo neutrinos jako chybějící článek, který by vysvětlil velkou gravitační strukturu vesmíru a zaplnil veškerou chybějící hmotu - ale jeden to se ukázalo jako špatné.
Robertson a jeho kolegové nejprve začali pracovat s plynným tritiem tehdy, když si uvědomili, že slabě radioaktivní látka nabízí nejpřesnější zdroj neutronového rozpadu dostupného vědě.
„Toto bylo dlouhé hledání,“ řekl Robertson. „Ruské měření 30 eV bylo velmi vzrušující, protože by gravitačně uzavřelo vesmír. A z tohoto důvodu je to stále vzrušující. Neutrinos hrají velkou roli v kosmologii a pravděpodobně formovali rozsáhlou strukturu vesmíru.“
Všechny ty slabé částice, které létají kolem, tahají na všechno ostatní svou gravitací a odebírají a propůjčují energii ze všech ostatních věcí. Ačkoli se množství hmoty zmenšuje, Robertson řekl, přesná role, kterou tyto malé částice hrají, se komplikuje.
Výzkumný pracovník uvedl, že číslo 1,1 eV je zajímavé, protože je to první experimentálně odvozené neutrinové množství hmoty, které není dostatečně vysoké, aby mohlo vysvětlit strukturu zbytku vesmíru samo o sobě.
"Je tu záležitost, o které zatím nic nevíme. Je tu tato temná hmota," a nemůže být vyroben z neutrin, o kterých víme, řekl.
Takže toto malé číslo z velké vakuové komory v Německu přinejmenším zvyšuje hromadu důkazů, že vesmír má prvky, kterým fyzika stále nerozumí.
