Голяма машина за броене на електрон индиректно доведе до измерване на най-хлъзгавата известна частица във физиката - и добави към доказателствата за тъмната материя.
Това измерване е първият резултат от международно усилие за измерване на масата на неутрино - частици, които изпълват нашата Вселена и определят нейната структура, но които ние едва ли можем да открием изобщо. Неутрино, според немския експеримент Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), имат не повече от 0,0002% от масата на електрон. Това число е толкова ниско, че дори да съберем всички неутрино във Вселената, те не биха могли да обяснят липсващата му маса. И този факт допълва купчината доказателства за съществуването на тъмната материя.
KATRIN е в основата си много голяма машина за преброяване на свръхвисоки енергии, които избухват от проба от тритий - радиоактивна форма на водород. с един протон и два неутрона във всеки атом. Тритийът е нестабилен и неговите неутрони се разпадат в двойки електрон-неутрино. КАТРИН търси електроните, а не неутрино, тъй като неутрините са твърде слаби, за да могат точно да измерват. А машината използва тритиев газ, според Хамиш Робъртсън, учен от КАТРИН и професор emeritus от Университета на Вашингтон, тъй като това е единственият източник на електрон-неутрино, достатъчно прост, за да получи добро измерване на масата.
Неутрино е повече или по-малко невъзможно да се измери точно сами, тъй като те имат толкова малка маса и са склонни да изпускат извън детекторите, без да взаимодействат с тях. За да разбере масата на неутрино, каза Робъртсън на Live Science, KATRIN брои най-енергийните електрони и работи назад от това число, за да изведе масата на неутрино. Първите резултати от KATRIN са оповестени и изследователите стигнаха до ранно заключение: Неутриносите имат маса не по-висока от 1,1 волта (eV).
Електронните волта са единиците от масови и енергийни физици, които използват, когато говорят за най-малките неща във Вселената. (В скалата на основните частици, енергията и масата се измерват с помощта на едни и същи единици и неутрино-електронните двойки трябва да имат комбинирани енергийни нива, еквивалентни на техния източник неутрон.) Бозонът на Хигс, който дава на други частици тяхната маса, има маса от 125 милиарда EV. Протоните, частиците в центъра на атомите, имат маса от около 938 милиона eV. Електроните са само 510 000 eV. Този експеримент потвърждава, че неутрино са невероятно мънички.
KATRIN е много голяма машина, но нейните методи са ясни, каза Робъртсън. Първата камера на устройството е пълна с газообразен тритий, чиито неутрони естествено се разпадат в електрони и неутрино. Физиците вече знаят колко енергия участва, когато неутронът се разпадне. Част от енергията се преобразува в масата на неутрино и масата на електрона. А останалото се излива в тези новосъздадени частици, много грубо диктувайки колко бързо отиват. Обикновено тази допълнителна енергия се разпределя доста равномерно между електрон и неутрино. Но понякога повечето или цялата останала енергия се изхвърля в една или друга частица.
В този случай цялата енергия, останала след образуването на неутрино и електрон, се изхвърля в партньора на електроните, образувайки свръх високо енергиен електрон, каза Робъртсън. Това означава, че масата на неутрино може да бъде изчислена: Това е енергията, участваща в разпада на неутроните минус масата на електрона и максималното енергийно ниво на електроните в експеримента.
Физиците, които проектираха експеримента, не се опитваха да измерват неутрино; на тези е позволено да избягат от машината недокоснати. Вместо това експериментът преобразува електроните в гигантска вакуумна камера, наречена спектрометър. Тогава електрически ток създава много силно магнитно поле, през което могат да преминат само най-енергийните електрони. В другия край на тази камера е устройство, което отчита колко електрони го правят през полето. Тъй като KATRIN бавно увеличава силата на магнитното поле, каза Робъртсън, броят на електроните, преминаващи през свиване - почти сякаш ще избледнее до нула. Но в самия край на този спектър от енергийни нива на енергия се случва нещо.
"Спектърът умира внезапно, преди да стигнете до крайната точка, защото масата на неутрино не може да бъде открадната от електрона. Той винаги трябва да бъде оставен за неутрино", каза Робъртсън. Масата на неутрино трябва да бъде по-малка от онова малко количество енергия, липсващо от самия край на спектъра. И след няколко седмици на изпълнение, експериментаторите стесниха това число до около половината от броя, за който физиците преди знаеха.
Идеята, че неутрините изобщо имат маса, е революционна; Стандартният модел, теорията на физиката на основата, която описва субатомния свят, след като настояващите неутрино изобщо нямат маса, посочи Робъртсън. Още през 80-те години руските и американските изследователи се опитваха да измерват неутрино маси, но техните резултати бяха проблематични и неточни. В един момент руските изследователи закачиха масата на неутрино с точно 30 eV - хубаво число, което би разкрило неутрино като липсващото звено, което би обяснило голямата гравитационна структура на Вселената, попълвайки цялата липсваща маса - но една това се оказа грешно.
Робъртсън и неговите колеги първо започнаха да работят с газообразен тритий, след като разбраха, че слабо радиоактивното вещество предлага най-прецизния източник на гниене на неутрон, достъпен за науката.
"Това е дълго търсене", каза Робъртсън. "Руското измерване на 30 eV беше много вълнуващо, защото щеше да затвори Вселената гравитационно. И все още е вълнуващо по тази причина. Нейтрино играят голяма роля в космологията и те вероятно са оформили мащабната структура на Вселената."
Всички онези слаби частици, които летят около влекача върху всичко останало със своята гравитация и вземат и дават енергия от цялата друга материя. Въпреки че масовото число намалява, Робъртсън каза, точната роля на тези малки частици се усложнява.
Числото 1.1 eV, каза изследователят, е интересно, тъй като това е първото експериментално получено маса на неутрино, което не е достатъчно високо, за да обясни самостоятелно структурата на останалата част от Вселената.
"Има материя, за която все още не знаем. Има тази тъмна материя" и тя не може да бъде съставена от неутрино, за които знаем, каза той.
Така че това малко число от голяма вакуумна камера в Германия най-малкото допълва купчината доказателства, че във Вселената има елементи, които физиката все още не разбира.
