Стандартная модель физики частиц является одним из самых впечатляющих достижений науки. Это строгое, точное усилие, чтобы понять и описать три из четырех фундаментальных сил Вселенной: электромагнитную силу, сильную ядерную силу и слабую ядерную силу. Гравитация отсутствует, потому что до сих пор вписать ее в стандартную модель было чрезвычайно сложно.
Но в Стандартной модели есть некоторые дыры, и одна из них связана с массой нейтрино.
Существование нейтрино было впервые предложено в 1930 году, а затем обнаружено в 1956 году. С тех пор физики узнали, что существует три типа нейтрино, и они в изобилии и неуловимы. Только специальные средства могут обнаружить их, потому что они редко взаимодействуют с другим веществом. Для них есть несколько источников, и некоторые из них пронеслись в космосе со времен Большого взрыва, но большинство нейтрино вблизи Земли происходит от Солнца.
Стандартная модель предсказывает, что нейтрино не имеют массы, как фотоны. Но физики обнаружили, что три типа нейтрино могут превращаться друг в друга при движении. По мнению физиков, они должны быть в состоянии сделать это, только если у них есть масса.
А сколько масса? Это вопрос, который преследовал физиков частиц. Ответ на этот вопрос является частью того, что движет учеными в KATRIN (эксперимент по тритий-нейтрино в Карлсруэ).
«Эти результаты сотрудничества KATRIN уменьшают предыдущий диапазон масс для нейтрино в два раза…»
ХЭМИШ РОБЕРТСОН, КАТРИНСКИЙ УЧЕНЫЙ И ПРОФЕССОР ФИЗИКИ В УНИВЕРСИТЕТЕ ВАШИНГТОНА.
Команда исследователей придумала часть ответа на этот вопрос: масса нейтрино не может превышать 1,1 электрон-вольт (эВ). Это уменьшение верхнего предела массы нейтрино почти на 1 эВ; от 2 до 1,1 эВ. Опираясь на предыдущие эксперименты, в которых нижний предел массы составлял 0,02 эВ, эти исследователи установили новый диапазон для массы нейтрино. Это показывает, что нейтрино имеет менее 1/500 000-й массы электрона. Это важный шаг в продвижении Стандартной модели.
«Знание массы нейтрино позволит ученым ответить на фундаментальные вопросы в космологии, астрофизике и физике элементарных частиц…»
Хэмиш Робертсон, ученый KATRIN и заслуженный профессор физики в Вашингтонском университете.
Исследователи, стоящие за этой работой, представляют 20 различных исследовательских институтов по всему миру. Они работают с KATRIN в Технологическом институте Карлсруэ в Германии. Установка KATRIN оснащена 10-метровым спектрометром высокого разрешения, который позволяет с высокой точностью измерять энергию электронов.
Команда KATRIN представила свои результаты на конференции «Темы астрофизики и подземной физики 2019 года» в Тояме, Япония, 13 сентября.
«Знание массы нейтрино позволит ученым ответить на фундаментальные вопросы в космологии, астрофизике и физике элементарных частиц, такие как то, как развивалась Вселенная или какая физика существует за пределами Стандартной модели», - сказал Хэмиш Робертсон, ученый и заслуженный профессор физики KATRIN. в университете Вашингтона. «Эти результаты сотрудничества KATRIN уменьшают предыдущий диапазон масс для нейтрино в два раза, устанавливают более строгие критерии относительно того, какова масса нейтрино, и обеспечивают путь для окончательного измерения его значения».
Как известно, нейтрино трудно обнаружить, хотя их много. Только фотоны более распространены. Как следует из их названия, они электрически нейтральны. Это делает обнаружение их чрезвычайно трудным. Нейтринные обсерватории погружены глубоко в антарктический лед, а также в заброшенные шахты. Они часто используют тяжелую воду, чтобы побудить нейтрино взаимодействовать. Когда нейтрино действительно взаимодействует, оно производит черенковское излучение, которое можно измерить.
«Если бы вы наполнили Солнечную систему выводом в пятьдесят раз за орбиту Плутона, около половины испускаемых Солнцем нейтрино все равно покинули бы Солнечную систему, не взаимодействуя с этим свинцом», - сказал Робертсон.
История нейтрино развивалась с течением времени с помощью экспериментов, таких как KATRIN. Первоначально стандартная модель предсказывала, что нейтрино не будет иметь массы. Но в 2001 году два разных детектора показали, что их масса отлична от нуля. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена двум ученым, которые показали, что нейтрино могут колебаться между типами, показывая, что они имеют массу.
Установка KATRIN косвенно измеряет массу нейтрино. Он работает путем мониторинга распада трития, который является высоко радиоактивной формой водорода. При распаде изотопа трития он испускает пары частиц: электрон и антинейтрино. Вместе они делят 18 560 эВ энергии.
В большинстве случаев пара частиц имеет равные 18 560 эВ. Но в редких случаях электрон поглощает большую часть энергии, оставляя нейтрино с очень небольшим количеством. На этих редких случаях ученые сосредоточены.
Из-за E = mC2, крошечное количество энергии, оставляемое нейтрино в этих редких случаях, также должно равняться его массе. Поскольку KATRIN обладает способностью точно измерять электрон, он также способен определять массу нейтрино.
«Решение массы нейтрино привело бы нас в дивный новый мир создания новой Стандартной модели», - сказал Питер Доу, профессор физики из Вашингтонского университета, работающий над KATRIN.
Эта новая стандартная модель, о которой упоминает Доу, может потенциально объяснить темную материю, которая составляет большую часть материи во Вселенной. Такие усилия, как KATRIN, могут однажды обнаружить другой, четвертый тип нейтрино, называемый стерильным нейтрино. Пока что этот четвертый тип является лишь предположением, но он является кандидатом на темную материю.
«Нейтрино - это странные маленькие частицы», - сказал Доу. «Они настолько вездесущи, и мы можем многому научиться, определив эту ценность».
Важно показать, что нейтрино имеют массу, и ограничить диапазон этой массы. Но физики элементарных частиц все еще не знают, как они набирают свою массу. Это, вероятно, отличается от того, как другие частицы приобретают свои.
Подобные результаты, полученные KATRIN, помогают закрыть дыру в Стандартной модели и в нашем общем понимании Вселенной. Вселенная полна древних нейтрино Большого взрыва, и каждое продвижение в массе нейтрино помогает нам понять, как образовалась и развивалась Вселенная.
Больше:
- Пресс-релиз: KATRIN сокращает оценку массы неуловимого нейтрино пополам
- Технологический институт Карлсруэ: KATRIN
- ЦЕРН: Стандартная модель
- Журнал Symmetry: пять загадок, которые стандартная модель не может объяснить
- MIT News: 3Q: Ученые бреют оценку массы нейтрино пополам
