Naukowcom udało się określić górny zakres masy neutrina. Mierząc rozkład energii elektronów uwalnianych podczas rozpadu beta trytu, fizycy ustalili, że neutrino ma masą nie większą niż 0,8 elektronowoltów. Chociaż wciąż nie znamy dokładnej masy neutrina, to określenie jej górnego limitu przybliża nas do zrozumienia natury tych nieuchwytnych cząstek, roli, jaką odgrywają we Wszechświecie oraz wpływu, jaki mogą mieć na nasze obecne teorie.
Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Jednak naukowcy nie wiedzą o nich zbyt wiele. To dlatego, że cząstki te bardzo słabo oddziałują z materią i niezwykle trudno je badać. Na tyle słabo, że często określa się je mianem "cząstek-duchów". Neutrina mają niebywałą zdolność przenikania. Chociażby planeta taka jak Ziemia nie stanowi dla nich niemal żadnej przeszkody. Uczeni szacują, że przez jeden centymetr kwadratowy powierzchni naszej planety zwróconej ku Słońcu co sekundę przelatuje 65 miliardów neutrin. Cząstki te w ogromnej obfitości i w każdej sekundzie przeszywają nasze ciała, a my zwykle nie mamy o tym pojęcia.
Pierwsze spekulacje dotyczące istnienia neutrin pojawiły się jeszcze w latach 30. ubiegłego wieku, jednak ich pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła niemal ćwierć wieku później. Z biegiem badań odkryto, że istniejąc przynajmniej trzy rodzaje tych cząstek – neutrina elektronowe, mionowe i taonowe i każda z nich ma swój odpowiednik w świecie antymaterii, czyli każda ma swoją antycząstkę. Cząstki te nie mają ładunku elektrycznego i powstają w reakcja jądrowych we wnętrzach gwiazd, a także w reaktorach na Ziemi. Stosunkowo niedawno odkryto, że cząstki te oscylują, czyli nieustannie przekształcają się z jednego rodzaju w inny. Zjawisko to oznacza, że obserwowane neutrina muszą mieć pewną (choć bardzo małą) masę. Bez poznania masy neutrin nasze zrozumienie Wszechświata pozostanie niepełne.
Badaniami neutrin od lat zajmują się niemieccy uczeni z Karlsruhe Institute of Technology (KIT). Eksperymenty KATRIN (KARlsruhe TRItium Neutrino), w którym brała udział międzynarodowa grupa fizyków, prowadzone w spektrometrze zlokalizowanym właśnie w KIT, przełamały niedawno ważną barierę w fizyce neutrin, która jest istotna zarówno dla fizyki cząstek elementarnych, jak i kosmologii. Naukowcom udało się określić górną granicę masy neutrina. Opis tych eksperymentów ukazał się na łamach pisma „Nature Physics” (DOI: 10.1038/s41567-021-01463-1).
W eksperymentach KATRIN biorą udział naukowcy z Czech, Niemiec, Rosji, USA oraz Wielkiej Brytanii. Analizują oni rozpad beta trytu, niestabilnego izotopu wodoru, do określenia masy neutrina poprzez rozkład energii elektronów uwalnianych w procesie rozpadu. Do pomiaru energii rozpadu elektronów wykorzystują gigantyczny spektrometr, który mieści się w KIT i który ma 23 metry długości i 10 metrów wysokości.
Od momentu rozpoczęcia projektu KATRIN, pomiary ulegają nieustannej poprawie. - KATRIN to eksperyment o najwyższych wymaganiach technologicznych, który działa jak perfekcyjny mechanizm zegarowy – zachwyca się Guido Drexlin z KIT, lider projektu. Jego kolega, Christian Weinheimer z Uniwersytetu w Münster dodaje, że decydującymi czynnikami, dzięki którym ustalono górną granicę masy neutrino, był „wzrost częstotliwości sygnału i zmniejszenie szumów tła”.
Dogłębna analiza danych zebranych podczas eksperymentów KATRIN, uruchomionych w 2019 roku, wymagała ogromnego wysiłku zespołu naukowców, kierowanego przez dwóch koordynatorów, Susanne Mertens z Instytutu Fizyki im. Maxa Plancka oraz z Politechniki w Monachium oraz Magnusa Schlössera z KIT.
Poprzedni górny limit masy neutrino, ustalony także w eksperymentach KATRIN, wynosił 1,1 elektronowolta (eV). Jednak badacze już wcześniej mieli pośrednie dowody, że cząstki te powinny być lżejsze niż 1 eV, ale trzeba było czekać do teraz, by po raz pierwszy zostało to wykazane w pomiarach bezpośrednich. Uczeni w swoich badaniach byli w stanie ustalić tylko górną granicę masy neutrino, ale twierdzą, że w miarę zwiększania czułości instrumentów być może uda im się ustalić więcej.
W KATRIN „ważone” są neutrina powstałe w wyniku rozpadu beta trytu, radioaktywnego izotopu wodoru. Kiedy jądro trytu przekształca się w hel, wyrzuca elektron i neutrino elektronowe - a dokładniej jej antycząstkę o tej samej masie zwaną antyneutrinem elektronowym. Antyneutrino zostaje utracone, ale elektron jest kierowany do 23-metrowej stalowej komory próżniowej w spektrometrze, gdzie dokładnie mierzy się jego energię. Znając energię samego elektronu oraz łączną energię elektronu oraz antyneutrina, uczeni mogą ustalić, jaka energia została utracona wraz z antyneutrinem, tym samym mogą ustalić energię, czyli masę antyneutrina.
Najnowszy wynik opiera się na danych z pierwszego biegu eksperymentu na pełnej sile, który miał miejsce pod koniec 2019 roku. Dane te wskazują górną granicę masy antyneutrina na 0,8 eV. Gdyby to przeliczyć na kilogramy, to wynik dał by jedynką na 36. miejscu po przecinku. To około 500 tys. razy mniej niż elektron.
To ogromne osiągnięcie, jednak uczeni nadal nie są w stanie podać dolnej granicy dla masy neutrina. Mają nadzieję, że dalsze eksperymenty i analiza zebranych w nich danych pomogą zbliżyć się do odpowiedzi na to pytanie. Może okazać się też, że w projekcie KATRIN nie uda się zmierzyć minimalnej masy neutrina, zwłaszcza, jeśli masa cząstki jest mniejsza niż 0,2 eV, co może leżeć poza czułością instrumentów.
To pierwszy raz, kiedy eksperyment z bezpośrednią masą neutrin wszedł w zakres mas poniżej 1 eV, który ma duże znaczenie dla kosmologii i fizyki cząstek elementarnych. - Społeczność fizyków cząstek elementarnych jest podekscytowana, że KATRIN przełamał barierę 1 eV – komentuje John Wilkerson z University of North Carolina, ekspert od neutrin, który przewodniczy Radzie Wykonawczej KATRIN.
Naukowcy zaangażowani w projekt KATRIN zdradzają swoje kolejne cele. Dalsze pomiary masy neutrin potrwają do końca 2024 roku. Uczeni w tym czasie, by jak najlepiej wykorzystać potencjał eksperymentów, będą na bieżąco uaktualniać sprzęt w nowinki technologiczne, by jeszcze bardziej zwiększyć czułość urządzenia i wyeliminować szumy tła. W 2025 roku KATRIN ma wzbogacić się o nowy system detektorów TRISTAN, który znacznie zwiększy możliwości instrumentu.
Źródło: Karlsruhe Institute of Technology, Max Planck Society, fot. Markus Breig, KIT
