Стандартният модел на физиката на частиците е един от най-впечатляващите подвизи на науката. Това е строго и прецизно усилие да се разберат и опишат три от четирите основни сили на Вселената: електромагнитната сила, силната ядрена сила и слабата ядрена сила. Гравитацията отсъства, тъй като досега монтирането й в Стандартния модел беше изключително предизвикателно.
Но в Стандартния модел има някои дупки и една от тях включва масата на неутрино.
Съществуването на неутрино беше предложено първо през 1930 г., след което бе открито през 1956 г. Оттогава физиците научиха, че съществуват три вида неутрино и те са изобилни и неуловими. Само специални съоръжения могат да ги открият, защото рядко взаимодействат с друга материя. Има няколко източника за тях и някои от тях ципират в Космоса от Големия взрив, но повечето неутрино в близост до Земята идват от Слънцето.
Стандартният модел прогнозира, че неутрините нямат маса, като фотоните. Но физиците са открили, че трите типа неутрино могат да се трансформират един в друг, докато се движат. Според физиците те би трябвало да могат да го правят само ако имат маса.
Но колко маса? Това е въпрос, който преследват физиците на частици. И отговорът на този въпрос е част от това, което движи учените от KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
„Тези открития от сътрудничеството с KATRIN намаляват предишния диапазон на маса за неутрино с коефициент два…“
ХАМИШ РОБЕРТСЪН, КАТРИН НАУЧЕН И ПРОФЕСОРЕН ЕМЕРИТЕТ НА ФИЗИКАТА В УНИВЕРСИТЕТА ВАШИНГТОН.
Екип от изследователи излезе с част от отговор на това: масата на неутрино не може да бъде по-голяма от 1,1 електронни волта (eV.) Това е намаляване на горната граница на масата на неутрино с близо 1 eV; от 2 eV до 1,1 eV. Изграждайки предишни експерименти, които определят долната граница на масата на 0,02 eV, тези изследователи са задали нов диапазон за масата на неутрино. Това показва, че неутрино има по-малко от 1/500 000-та маса на електрон. Това е важна стъпка в развитието на стандартния модел.
„Познаването на масата на неутрино ще позволи на учените да отговорят на основни въпроси в космологията, астрофизиката и физиката на частиците…“
Хамиш Робъртсън, учен от КАТРИН и преподавател по физика в Университета във Вашингтон.
Изследователите, стоящи зад тази работа, идват от 20 различни изследователски институции по целия свят. Те работят с KATRIN в Карлсруеския технологичен институт в Германия. Съоръжението KATRIN разполага с 10 метров спектрометър с висока разделителна способност, който му позволява да измерва енергиите на електроните с голяма точност.
Екипът на KATRIN представи своите резултати на конференцията „Теми за астрочастици и подземни физики през 2019 г.“ в Тояма, Япония, на 13 септември.
„Познаването на масата на неутрино ще позволи на учените да отговорят на основни въпроси в космологията, астрофизиката и физиката на частиците, например как еволюира Вселената или каква физика съществува извън стандартния модел“, казва Хамиш Робъртсън, учен от КАТРИН и професор по физика в Университета на Вашингтон. „Тези констатации от сътрудничеството с KATRIN намаляват предишния диапазон на маса за неутрино с коефициент два, поставят по-строги критерии за това каква всъщност е масата на неутрино и дават път напред, за да се измери окончателно нейната стойност.“
Неутрино е трудно да се открие, въпреки че те са в изобилие. Само фотоните са по-обилни. Както казва името им, те са електрически неутрални. Това прави тяхното откриване изключително трудно. Има неутрино обсерватории, потънали дълбоко в леда на Антарктида, а също и дълбоко в изоставени мини. Те често използват тежка вода, за да привлекат неутрино да си взаимодействат. Когато неутрино взаимодейства, той произвежда радиация на Черенков, която може да бъде измерена.
„Ако напълнете слънчевата система с олово петдесет пъти извън орбитата на Плутон, около половината неутрино, излъчвано от слънцето, все още ще напусне слънчевата система, без да взаимодейства с този олово“, казва Робъртсън.
Историята на неутрино се развива с течение на времето с експерименти като KATRIN. Първоначално стандартният модел предвиждаше, че неутрино няма да има маса. Но през 2001 г. два различни детектора показаха, че масата им е ненулева. Нобеловата награда за физика за 2015 г. беше присъдена на двама учени, които показаха, че неутрино може да се колебае между типовете, показвайки, че имат маса.
Устройството KATRIN измерва косвено масата на неутрино. Той действа, като наблюдава разпадането на тритий, който е силно радиоактивна форма на водород. Тъй като изотопът на тритий се разпада, той излъчва двойки частици: електрон и анти-неутрино. Заедно те споделят 18 560 eV енергия.
В повечето случаи двойката частици споделя 18,560 eV по равно. Но в редки случаи електронът загърбва по-голямата част от енергията, оставяйки неутрино с много малко. Тези редки случаи са насочени към учените.
Поради E = mC2, малкото количество енергия, останало за неутрино в тези редки случаи, също трябва да е равно на неговата маса. Тъй като KATRIN има силата да измерва точно електрона, той също е в състояние да определи масата на неутрино.
„Решаването на масата на неутрино ще ни отведе в един смел нов свят на създаването на нов стандартен модел“, казва Питър Доу, преподавател по физика от Университета във Вашингтон, който работи по KATRIN.
Този нов стандартен модел, който Doe споменава, може да има потенциал да отчита тъмната материя, която съставлява по-голямата част от материята във Вселената. Усилията като KATRIN може един ден да открият друг, четвърти тип неутрино, наречен стерилно неутрино. Засега този четвърти тип е само хипотеза, но е кандидат за тъмна материя.
"Неутрино са странни малки частици", каза Доу. „Те са толкова повсеместни и има толкова много, че можем да научим, след като определим тази стойност.“
Показването, че неутрино имат маса и ограничава обхвата на тази маса, са важни. Но физиците на частици все още не знаят как те печелят масата си. Вероятно е различно от това как другите частици печелят своите.
Резултати като този от KATRIN помагат за затварянето на дупка в Стандартния модел и в цялостното ни разбиране за Вселената. Вселената е пълна с древни неутрино от Големия взрив и всеки напредък в масата на неутрино ни помага да разберем как се е образувала и еволюирала Вселената.
Повече ▼:
- Прессъобщение: KATRIN намалява наполовина оценката на масата за неуловимото неутрино
- Карлсруе технологичен институт: КАТРИН
- CERN: Стандартният модел
- Списание Symmetry: Пет мистерии стандартният модел не може да обясни
- MIT News: 3Q: Учените бръснат оценката на масата на неутрино наполовина
