Большая машина для счета электронов косвенным образом измерила самую скользкую из известных частиц в физике и добавила доказательства темной материи.
Это измерение является первым результатом международных усилий по измерению массы нейтрино - частиц, которые наполняют нашу вселенную и определяют ее структуру, но которые мы едва можем обнаружить вообще. Нейтрино, согласно немецкому эксперименту с тритиевыми нейтрино (KATRIN) в Карлсруэ, имеют массу электрона не более 0,0002%. Это число настолько мало, что даже если мы подсчитаем все нейтрино во вселенной, они не смогут объяснить ее недостающую массу. И этот факт добавляет к куче доказательств существования темной материи.
KATRIN - это в основном очень большая машина для подсчета электронов сверхвысоких энергий, которые вырываются из образца трития - радиоактивной формы водорода. с одним протоном и двумя нейтронами в каждом атоме. Тритий нестабилен, и его нейтроны распадаются на пары электрон-нейтрино. KATRIN ищет электроны, а не нейтрино, потому что нейтрино слишком слабые, чтобы их можно было точно измерить. И машина использует газообразный тритий, согласно Хэмишу Робертсону, почетному ученому и профессору KATRIN в Вашингтонском университете, потому что это единственный источник электронов-нейтрино, достаточно простой для получения хорошего измерения массы.
Нейтрино более или менее невозможно точно измерить самостоятельно, потому что они имеют так мало массы и имеют тенденцию пропускать детекторы, не взаимодействуя с ними. Таким образом, чтобы выяснить массу нейтрино, сказал Робертсон в интервью Live Science, KATRIN считает самые энергичные электроны и работает в обратном направлении от этого числа, чтобы определить массу нейтрино. Первые результаты KATRIN были объявлены, и исследователи пришли к раннему выводу: масса нейтрино не превышает 1,1 электрон-вольт (эВ).
Электронные вольты - это единицы массы и энергии, которые физики используют, когда говорят о самых маленьких вещах во вселенной. (В масштабе фундаментальной частицы энергия и масса измеряются в одних и тех же единицах, а пары нейтрино-электрон должны иметь объединенные энергетические уровни, эквивалентные их исходному нейтрону.) Бозон Хиггса, придающий другим частицам их массу, имеет масса 125 млрд. EV. Протоны, частицы в центре атомов, имеют массу около 938 миллионов эВ. Электроны всего 510 000 эВ. Этот эксперимент подтверждает, что нейтрино невероятно крошечные.
Робертсон сказал, что KATRIN - очень большая машина, но ее методы просты. Первая камера устройства заполнена газообразным тритием, нейтроны которого естественным образом распадаются на электроны и нейтрино. Физики уже знают, сколько энергии задействовано при распаде нейтрона. Часть энергии преобразуется в массу нейтрино и массу электрона. А остальное вливается в эти вновь созданные частицы, очень грубо говоря, как быстро они движутся. Обычно эта дополнительная энергия распределяется довольно равномерно между электроном и нейтрино. Но иногда большая часть или вся оставшаяся энергия сбрасывается в ту или иную частицу.
В этом случае вся энергия, оставшаяся после образования нейтрино и электрона, сбрасывается в электронный партнер, образуя электрон сверхвысоких энергий, сказал Робертсон. Это означает, что масса нейтрино может быть рассчитана: это энергия, участвующая в распаде нейтрона, минус масса электрона и максимальный уровень энергии электронов в эксперименте.
Физики, разработавшие эксперимент, не пытались измерить нейтрино; те могут покинуть машину нетронутой. Вместо этого эксперимент направляет электроны в гигантскую вакуумную камеру, называемую спектрометром. Затем электрический ток создает очень сильное магнитное поле, через которое могут пройти только электроны с самой высокой энергией. На другом конце этой камеры находится устройство, которое подсчитывает, сколько электронов проходит через поле. По словам Робертсона, поскольку KATRIN медленно увеличивает напряженность магнитного поля, число электронов, проходящих через него, сокращается - почти как если бы оно собиралось исчезнуть до нуля. Но в самом конце этого спектра уровней энергии электронов что-то происходит.
«Спектр внезапно умирает, прежде чем вы достигнете конечной точки, потому что масса нейтрино не может быть украдена электроном. Он всегда должен быть оставлен для нейтрино», - сказал Робертсон. Масса нейтрино должна быть меньше того крошечного количества энергии, которое отсутствует в самом конце спектра. И после нескольких недель работы экспериментаторы сузили это число примерно до половины числа, о котором физики ранее знали.
Идея, что нейтрино имеют массу вообще, является революционной; Робертсон отметил, что стандартная модель, основополагающая физическая теория, описывающая субатомный мир, настаивала на том, что нейтрино вообще не имеют массы. Еще в 1980-х годах российские и американские исследователи пытались измерить массы нейтрино, но их результаты были проблематичными и неточными. В какой-то момент российские исследователи зафиксировали массу нейтрино точно при 30 эВ - хорошее число, которое показало бы нейтрино как недостающее звено, которое объяснило бы великую гравитационную структуру Вселенной, заполнившую всю недостающую массу - кроме одного это оказалось неправильно.
Робертсон и его коллеги впервые начали работать с газообразным тритием тогда, когда они поняли, что слабо радиоактивное вещество является наиболее точным источником распада нейтронов, доступным для науки.
«Это был долгий поиск», - сказал Робертсон. «Российское измерение 30 эВ было очень захватывающим, потому что оно могло бы гравитационно замкнуть Вселенную. И по-прежнему это волнительно по этой причине. Нейтрино играют большую роль в космологии, и они, вероятно, сформировали крупномасштабную структуру вселенной».
Все эти слабые частицы, летающие вокруг, притягивают к себе все остальное своей гравитацией и берут и одалживают энергию из всей другой материи. Хотя, как говорит Робертсон, массовое число сокращается, точная роль, которую играют эти маленькие частицы, усложняется.
Исследователь сказал, что число 1,1 эВ интересно, потому что это первое экспериментально полученное массовое число нейтрино, которое недостаточно велико, чтобы объяснить структуру остальной части Вселенной.
«Есть материя, о которой мы пока не знаем. Есть эта темная материя», и она не может быть сделана из нейтрино, о которых мы знаем, сказал он.
Так что это небольшое число из большой вакуумной камеры в Германии, по крайней мере, добавляет к куче доказательств того, что во Вселенной есть элементы, которые физика до сих пор не понимает.
