Стандартна модель фізики частинок - один із найвпливовіших подвигів науки. Це жорсткі, точні зусилля, щоб зрозуміти та описати три з чотирьох основних сил Всесвіту: електромагнітну силу, сильну ядерну силу та слабку ядерну силу. Гравітація відсутня, оскільки поки що встановлення її у Стандартну модель було надзвичайно складним.
Але в Стандартній моделі є деякі дірки, і один з них передбачає масу нейтрино.
Існування нейтрино було вперше запропоновано в 1930 році, потім було виявлено в 1956 році. З того часу фізики дізналися, що існує три типи нейтрино, і вони є великими і невловимими. Виявити їх можуть лише спеціальні засоби, оскільки вони рідко взаємодіють з іншою речовиною. Для них є кілька джерел, і деякі з них пронизують космос з часів Великого вибуху, але більшість нейтрино поблизу Землі надходять із Сонця.
Стандартна модель передбачає, що нейтрино не має маси, як фотони. Але фізики виявили, що три типи нейтрино можуть перетворюватися один в одного під час руху. На думку фізиків, вони могли б робити це лише у тому випадку, якщо вони мають масу.
Але скільки маси? Це питання, яке задають фізики частинок. І відповідь на це питання є частиною того, що рухає вченими в KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Ці результати співробітництва KATRIN скорочують попередній діапазон маси нейтрино в два рази ..."
ХАМІШ РОБЕРТСОН, НАУЧНИЙ КАТРИН І ПРОФЕСОР ЕМІТЕР ФІЗИКИ В УНІВЕРСИТЕТІ Вашингтона
Команда дослідників придумала частину відповіді на це: маса нейтрино не може перевищувати 1,1 електрона вольт (ев.) Це зменшення верхньої межі маси нейтрино майже на 1 еВ; від 2 еВ до 1,1 еВ. Спираючись на попередні експерименти, які встановлювали нижню межу маси 0,02 еВ, ці дослідники встановили новий діапазон для маси нейтрино. Це показує, що нейтрино має менше 1/500 000-ї маси електрона. Це важливий крок у просуванні Стандартної моделі.
"Знання маси нейтрино дозволить вченим відповісти на основні питання космології, астрофізики та фізики частинок ..."
Гаміш Робертсон, вчений КАТРІН та професор фізики у Вашингтонському університеті.
Дослідники, які стоять за цією роботою, приїжджають з 20 різних науково-дослідних установ по всьому світу. Вони працюють з KATRIN в Карлсруеському технологічному інституті в Німеччині. Обладнання KATRIN оснащено 10-метровим спектрометром високої роздільної здатності, який дозволяє вимірювати енергію електронів з великою точністю.
Команда KATRIN представила свої результати на конференції «Теми з астрочастинок та підземної фізики 2019» у Тоямі, Японія, 13 вересня.
"Знання маси нейтрино дозволить вченим відповісти на фундаментальні питання космології, астрофізики та фізики частинок, наприклад, як розвивався Всесвіт або що існує фізика за межами стандартної моделі", - сказав Гаміш Робертсон, вчений KATRIN та професор фізики в університеті Вашингтона. "Ці результати співробітництва KATRIN зменшують попередній діапазон мас для нейтрино в два рази, ставлять більш жорсткі критерії щодо того, якою є насправді маса нейтрино, і дають шлях вперед, щоб остаточно виміряти його значення".
Нейтрино, як відомо, важко виявити, навіть якщо їх є багато. Тільки фотони рясніші. Як говорить їх назва, вони електрично нейтральні. Це робить їх виявлення надзвичайно важким. Є нейтринні обсерваторії, потоплені глибоко в льоду Антарктики, а також глибоко в покинутих шахтах. Вони часто використовують важку воду, щоб спокусити нейтрино взаємодіяти. Коли нейтрино взаємодіє, воно виробляє випромінювання Черенкова, яке можна виміряти.
"Якщо ви наповнили Сонячну систему виведенням в п’ятдесят разів за орбіту Плутона, приблизно половина нейтрино, випромінюваного сонцем, все одно залишить сонячну систему, не взаємодіючи з цим відведенням", - сказав Робертсон.
Історія нейтрино розвивалася з часом з експериментами, такими як KATRIN. Спочатку стандартна модель передбачала, що нейтрино не матиме маси. Але в 2001 році два різні детектори показали, що їх маса не дорівнює нулю. Нобелівська премія з фізики 2015 року була присуджена двом вченим, які показали, що нейтрино може коливатися між типами, показуючи, що вони мають масу.
Засіб KATRIN опосередковано вимірює масу нейтрино. Це працює шляхом моніторингу розпаду тритію, який є високорадіоактивною формою водню. По мірі розпаду ізотопу тритію він випромінює пари частинок: електрон і антинейтрино. Разом вони ділять 18 560 еВ енергії.
У більшості випадків пари частинок ділять 18,560 еВ порівну. Але в рідкісних випадках електрон загрібає більшу частину енергії, залишаючи нейтрино дуже мало. Ці рідкісні випадки орієнтовані на науковців.
Через E = mC2, невелика кількість енергії, що залишається для нейтрино в цих рідкісних випадках, також повинна дорівнювати його масі. Оскільки KATRIN має силу точно вимірювати електрон, він також може визначити масу нейтрино.
"Розв’язання маси нейтрино призведе нас до сміливого нового світу створення нової стандартної моделі", - сказав Петер Доу, професор фізики з Вашингтонського університету, який працює над KATRIN.
Ця нова стандартна модель, яку згадує До, може мати потенціал для врахування темної матерії, яка складає більшу частину справи у Всесвіті. Такі зусилля, як KATRIN, можуть одного дня виявити інший, четвертий тип нейтрино, який називається стерильним нейтрино. Поки що цей четвертий тип є лише домислом, але він є кандидатом на темну матерію.
"Нейтрино - це дивні маленькі частинки", - сказала Доу. "Вони настільки всюдисущі, і є стільки, що ми можемо дізнатися, як тільки визначимо це значення".
Показати, що нейтрино має масу та обмежує діапазон цієї маси, є обом важливим. Але фізики частинок досі не знають, як вони набирають свою масу. Це, мабуть, інакше, ніж те, як інші частинки здобувають свої.
Такі результати від KATRIN допомагають закрити дірку в Стандартній моделі та в нашому загальному розумінні Всесвіту. Всесвіт сповнена стародавніх нейтрино з Великого вибуху, і кожен просування в масі нейтрино допомагає нам зрозуміти, як Всесвіт формувалася та розвивалася.
Більше:
- Прес-реліз: KATRIN скорочує оцінку маси невловимого нейтрино навпіл
- Карлсруеський технологічний інститут: КАТРІН
- ЦЕРН: Стандартна модель
- Журнал симетрії: п’ять таємниць, стандартна модель яких пояснити не можна
- Новини MIT: 3Q: Вчені поголюють оцінку маси нейтрино вдвічі
