Neutrino Mass Mystery se zmenšuje s nejnovějšími výsledky katrinu

Fyzici jsou blíže než kdy jindy k řešení hádanky strašidelné neutrinové hmoty

Podle Gayoung Lee editoval Lee Billings

Neutrino je notoricky známým potíže ve světě fyziky částic. Tento Drobná, nepolapitelná částice Bez žádného elektrického náboje pravděpodobně proniká každý roh vesmíru, ale bylo by těžké to vědět, že to bez extrémně specializovaných nástrojů. Briliony procházejí každou sekundou, ve skutečnosti to vše bez interakce s jediným atomem vašeho těla. To je jen jeden z důvodů, proč, pro něco tak údajně hojného a základního, víme o neutrinu bolestně málo – ani něco tak základního jako jeho hmota.

Ale neutrino fyzika může být na pokraji experimentálního průlomu: fyziky s experimentem Karlsruhe Tritium neutrino (Katrin) v Německu se podařilo měřit horní hranici hmoty neutrina k pouhým 0,45 elektronovým voltům (EV), což je méně než jedna miliontka hmoty elektronu. Tyto výsledky, zveřejněné minulý týden v Vědapředstavují jen zlomek Katrinových vyšetřování; Asi tři čtvrtiny plánovaného dat detektoru z probíhající 1 000denní kampaně musí být analyzovány a odhaleny.

Dalším důvodem vzrušení je to, že Katrin dosáhl dvojího zvýšení citlivosti od loňského roku, kdy Někteří vědci vyvolali otázky Pokud jde o to, zda by experiment mohl dokonce dosáhnout pokroku v desetiletí trvajících fyziků, aby posoudil neutrinovou hmotu. A tým Katrin má v úmyslu detektor posunout ještě dále, říká Alexey Lokhovspoluautor nové studie a experimentální fyzik na Karlsruhe Institute of Technology v Německu. Na závěr Katrinovy ​​kampaně říká, že citlivost detektoru je zaměřena na nižší neutrinovou hmotu 0,3 eV, což je další významná podpora.

O podpoře vědecké žurnalistiky

Pokud se vám tento článek líbí, zvažte podporu naší oceněné žurnalistiky předplatné. Zakoupením předplatného pomáháte zajistit budoucnost působivých příběhů o objevech a myšlenkách, které dnes formují náš svět.

Lokhov a jeho kolegové, včetně spoluautora Christopha Wiesingera, s očima na této ceně provedli několik technických generálních opravách, aby výrazně zlepšili schopnosti nástroje, pro toto konkrétní kolo analýzy dat. „Do konce letošního roku budeme mít tento nový, opravdu velký kus dat, na které se budeme podívat,“ říká Wiesinger, fyzik na technické univerzitě v Mnichově v Německu. „Nyní je Katrin ve stabilnější konfiguraci téměř finále, (takže) Jsem velmi přesvědčen, že to zvládneme (citlivost) v nadcházejících letech.“

The Katrin Experiment zahájil operace v roce 2019. Snaží se omezit neutrinovou hmotu pohledem na energetické spektrum elektronů a elektronů antineutrinos emitovaných rozpadajícím se Tritium, radioaktivní izotopem vodíku. Jak je podrobně popsáno v novém článku, během prvních 259 dnů experimentu provedl Katrin měření energie přibližně 36 milionů elektronů. Z energetického spektra těchto elektronů byli fyzici schopni odvodit hmotnost neutrina identifikovat, co by se zdálo být „zkreslením“ v energetickém spektru elektronů, vysvětluje Lokhov. „Trik spočívá v tom, že k vytvoření neutrina v tomto procesu rozpadu je třeba alespoň vytvořit hmotu, kterou by malá nenulová hmota (která) ovlivnila, kolik energie (by) zbývala na elektrony.“ A ta „zbylou“ energii, říká, by naznačovala přítomnost něčeho jiného – neutrina – v závislosti na procesu rozkladu.

Abych byl jasný, Katrin stále ne uzamčený v absolutní hodnotě pro neutrino hmotu – – – má to. To však může být spíše produktem vrozené podivnosti neutrina než jakékoli reprezentace Katrinových nedostatků. Masa neutrina je obzvláště nepolapitelný lom, protože tvrdohlavě odmítá dodržovat principy Standardní model fyziky částic. Skvěle, téměř všechny předpovědi této teorie byly experimentálně potvrzeny, ale některé z jeho prognóz pro neutrino notoricky padly. Model předpovídá, že neutrina by měla být zcela bezhlubová, ale to bylo nakonec vyvráceno a Nobelovy vítězné experiment který ukázal neutrina nejen mít mše, ale také z jakéhokoli důvodu přeměna Hmota oscilením mezi třemi různými odrůdami neutrinů nebo „příchutí“.

„Víš, když je vše usazeno a my jsme všichni šťastní, (neutrina) jsou jako ten jeden člověk v místnosti, který říká, ne, ne tak docela,“ přemýšlel Carlos Argüelles Delgadofyzik na Harvardské univerzitě, který není s Katrinem přidružen.

Ale neutrinoova problematická povaha je přesně důvod, proč jsou fyzici tak zamilovaní; Teoretici říkají, že malá částice musí být rebelem s Příčina, s některým hlubším a zásadnějším vysvětlením pro jeho vtípky, které by mohly otevřít obrovské nové říše fyziky nad rámec stále nevýraznějšího omezení standardního modelu. A výsledky, jako je Katrin, jsou součástí stálého toku teoretického a Experimentální pokroky přibližuje nás k těm dlouho očekávaným průlomům.

„Je zde složité podnikání, protože neutriny jsou superpozice masových států – mají tři – a to (Katrin) ukazuje, že tato masová kombinace nemůže být větší než 0,45 eV,“ říká Argüelles Delgado. Nyní, s zdlouhavou kampaní experimentu, která má být uzavřena do konce tohoto roku, hodiny tikají směrem k konečnému odpočítávání. Čas dochází, aby se dále zvyšoval jeho citlivost a zpřísnil její snam kolem tohoto kluzkého subatomického podvratného. „Pokud je skutečná hmotnost neutrin v rozmezí citlivosti katrinu, pak by Katrin měl být schopen mě měřit,“ vysvětluje Georgia Karagiorgifyzik částic na Columbia University, který není součástí výzkumného týmu.

To znamená, že Katrin bude pravděpodobně poslední svého druhu, říká Argüelles Delgado a poznamenává, že se snižují výnosy spojené s rozšiřováním takových experimentů. Hlavní investice na větší a dlouhodobější experimenty riziku pouze poskytují mezní pokroky-což je o to větší důvod, proč Katrinovy ​​potopené náklady a trvalý úspěch nyní vyžadují naléhavost. „Vzhledem k prognózám Katrinů je jasné, že další údaje pomohou dostat se do cílové citlivosti (vědci), takže ji absolutně musí spustit,“ říká Karagiorgi.

Pokud nebo když Katrin dosáhne své zamýšlené vyšší citlivosti, tento konkrétní experiment skončí – ale naděje na to, že budoucí nástroje budou moci pokračovat ve svém poslání tím, že budou mít pozornost toho, co se fyziky od Katrinu naučili. Navzdory svému konci bude data pokladem, který fyzioci budou těžit pro objevy po mnoho dalších let. Koneckonců, větší snaha o měření neutrina je bezpochyby maraton.

„Neutrina jsou tak nepolapitelná, že potřebujete buď tyto velké detektory, nebo velmi, velmi sofistikované technologie,“ říká Wiesinger. „Ale i když je to (neutrina) hmota tak malá, očekáváme dnes, že právě tím, že je tolik (jich), mají velký vliv na vesmír – jak se vytvářejí struktury a jak se vyvíjejí.“

Je fascinující uvědomit si, že taková nekonečná a vzpurná částice může mít takové hluboké účinky na subatomické i kosmické stupnice – a že může být robustně studována v pozemských laboratořích vůbec.

„Neutrina jsou jedinečnými portály nových objevů ve fyzice-byly vždy takové od začátku, když byly poprvé předpokládány,“ říká Lokhov. „A i teď stále přinášejí nějaké nové, vzrušující objevy, které (dále) naše chápání přírody.“