Велика електронно-лічильна машина опосередковано виявила вимірювання найслідшої з відомих частинок фізики - і додала до доказів темної матерії.
Це вимірювання є першим результатом міжнародних зусиль щодо вимірювання маси нейтрино - частинок, які заповнюють наш Всесвіт і визначають його структуру, але які ми ледве вдається виявити. Нейтрино, згідно з німецьким експериментом Карлсруе Тритій нейтрино (KATRIN), має не більше 0,0002% маси електрона. Це число настільки низьке, що навіть якби ми збільшили всі нейтрино у Всесвіті, вони не могли б пояснити його відсутність. І цей факт додає купу доказів існування темної матерії.
КАТРІН - це, в основному, велика машина для підрахунку надвисоких енергій електронів, які вириваються із зразка тритію - радіоактивної форми водню. з одним протоном і двома нейтронами в кожному атомі. Тритій нестабільний, і його нейтрони розпадаються на пари електрон-нейтрино. КАТРІН шукає електрони, а не нейтрино, тому що нейтрино занадто слабкі, щоб точно виміряти. А машина використовує тритієвий газ, за словами Гаміша Робертсона, науковця KATRIN та професора Емеріта з Університету Вашингтона, тому що це єдине джерело електрон-нейтрино, яке досить просте, щоб отримати хороший показник маси.
Нейтрино більш-менш неможливо точно виміряти самостійно, оскільки вони мають малу масу і, як правило, вискакують з детекторів, не взаємодіючи з ними. Щоб визначити масу нейтрино, сказав Робертсон в Live Science, КАТРІН підраховує найенергійніші електрони і працює назад від цього числа, щоб вивести масу нейтрино. Перші результати від KATRIN були оголошені, і дослідники прийшли до раннього висновку: нейтрино має масу не вище 1,1 вольт електронів (еВ).
Електронні вольта - це одиниці масових та енергетичних фізиків, які використовують, коли говорять про найдрібніші речі у Всесвіті. (У масштабі основної частки енергія та маса вимірюються за допомогою одних і тих же одиниць, і нейтрино-електронні пари повинні мати комбіновані рівні енергії, еквівалентні нейтрону їхнього джерела.) Бозон Хіггса, який надає іншим частинкам свою масу, має маса 125 млрд. ЕВ. Протони, частинки в центрі атомів, мають масу приблизно 938 мільйонів еВ. Електрони - всього 510 000 еВ. Цей експеримент підтверджує, що нейтрино неймовірно крихітні.
"КАТРІН" - це дуже велика машина, але її методи прості, "сказав Робертсон. Перша камера пристрою повна газоподібного тритію, нейтрони якого природним чином розпадаються на електрони та нейтрино. Фізики вже знають, скільки енергії бере участь, коли нейтрон розпадається. Частина енергії перетворюється на масу нейтрино і масу електрона. А решта заливається цими новоствореними частинками, дуже грубо диктуючи, як швидко вони йдуть. Зазвичай ця зайва енергія розподіляється досить рівномірно між електроном і нейтрино. Але іноді більшість або вся енергія, що залишилася, скидається в ту чи іншу частинку.
У цьому випадку вся енергія, що залишилася після утворення нейтрино та електрона, скидається в партнера електронів, утворюючи суперенергетичний електрон, сказав Робертсон. Це означає, що масу нейтрино можна обчислити: це енергія, що бере участь у розпаді нейтронів, мінус маса електрона та максимальний рівень енергії електронів в експерименті.
Фізики, які розробили експеримент, не намагалися виміряти нейтрино; тим, кому дозволено втекти з машини, не торкнувшись. Натомість експеримент направляє електрони у гігантську вакуумну камеру, яку називають спектрометром. Тоді електричний струм створює дуже сильне магнітне поле, через яке можуть проходити лише найвищі енергії електронів. На іншому кінці цієї камери - пристрій, який підраховує, скільки електронів проходять через поле. Оскільки КАТРІН повільно збільшує напруженість магнітного поля, за словами Робертсона, кількість електронів, що потрапляють через усадки, майже так, як ніби вона зникає аж до нуля. Але в самому кінці цього спектра електронних енергетичних рівнів щось відбувається.
"Спектр вмирає раптово, перш ніж дійти до кінцевої точки, оскільки маса нейтрино не може бути викрадена електроном. Це завжди повинно залишатися за нейтрино", - сказав Робертсон. Маса нейтрино повинна бути меншою, ніж крихітна кількість енергії, якої не вистачає з самого кінця спектра. І після кількох тижнів часу виконання експериментатори звузили це число приблизно до половини кількості, про яку раніше знали фізики.
Ідея, що нейтрино взагалі має масу, є революційною; Стандартна модель, теорія фізики основи, яка описує субатомний світ, колись наполягали, що нейтрино взагалі не має маси, зазначив Робертсон. Ще в 80-х роках російські та американські дослідники намагалися виміряти нейтринні маси, але їх результати були проблематичними та неточними. Одного разу російські дослідники прив’язали масу нейтрино рівно до 30 еВ - приємне число, яке виявило б нейтрино як відсутність ланки, що пояснило б велику гравітаційну структуру Всесвіту, заповнивши всю пропущену масу - але одну що виявилося помилковим.
Робертсон та його колеги спочатку почали працювати з газоподібним тритієм, після того, як вони зрозуміли, що слабко радіоактивна речовина пропонує найточніше джерело розпаду нейтронів, доступне науці.
"Це були тривалі пошуки", - сказав Робертсон. "Російський вимір 30 еВ був дуже захоплюючим, оскільки він би гравітаційно закрив Всесвіт. І це все ще захоплююче з цієї причини. Нейтрино відіграє велику роль у космології, і вони, ймовірно, сформували масштабну структуру Всесвіту".
Усі ці слабкі частинки, що летять навколо буксиру на все інше з їхньою гравітацією, беруть і віддають енергію з усієї іншої матерії. Хоча, коли масове число зменшується, Робертсон сказав, точна роль цих маленьких частинок стає складнішою.
Число 1,1 еВ, зазначає дослідник, цікаве тим, що це перше експериментально отримане число нейтрино мас, яке недостатньо високо, щоб самостійно пояснити структуру решти Всесвіту.
"Є матерія, про яку ми ще не знаємо. Є ця темна речовина", і вона не може бути складена з нейтрино, про яке ми знаємо, - сказав він.
Тож ця невелика кількість з великої вакуумної камери в Німеччині принаймні додає до купу доказів того, що у Всесвіті є елементи, яких фізика досі не розуміє.
