Neutrinos finns i tre smaker som består av en blandning av tre neutrinomassor. Även om skillnaderna mellan massorna är kända, lite information fanns tillgänglig om massan av de lättaste arterna tills nu.

Det är viktigt att bättre förstå neutriner och de processer genom vilka de får sin massa eftersom de kan avslöja hemligheter om astrofysik, inklusive hur universum hålls samman, varför den expanderar och vad mörk materia är gjord av.

Förste författare, Dr. Arthur Loureiro (UCL Fysik &Astronomi), sa:"Hundra miljarder neutriner flyger genom din tumme från solen varje sekund, även på natten. Dessa är mycket svagt interaktiva spöken som vi vet lite om. Vad vi vet är att när de rör sig, de kan växla mellan sina tre smaker, och detta kan bara hända om minst två av deras massor inte är noll."

"De tre smakerna kan jämföras med glass där du har en skopa som innehåller jordgubbar, choklad och vanilj. Tre smaker är alltid närvarande men i olika förhållanden, och det förändrade förhållandet - och partikelns konstiga beteende - kan bara förklaras av neutriner som har en massa."

Konceptet att neutriner har massa är relativt nytt då upptäckten 1998 gav professor Takaaki Kajita och professor Arthur B. McDonald 2015 års Nobelpris i fysik. Ändå, Standardmodellen som används av modern fysik har ännu inte uppdaterats för att tilldela neutriner en massa.

Studien, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev av forskare från UCL, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Institut d'Astrophysique de Paris och Universidade de Sao Paulo, sätter en övre gräns för massan av den lättaste neutrinon för första gången. Partikeln kan tekniskt sett inte ha någon massa eftersom en nedre gräns ännu inte har fastställts.

Teamet använde en innovativ metod för att beräkna massan av neutriner genom att använda data som samlats in av både kosmologer och partikelfysiker. Detta inkluderade att använda data från 1,1 miljoner galaxer från Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) för att mäta universums expansionshastighet, och begränsningar från experiment med partikelaccelerator.

"Vi använde information från en mängd olika källor inklusive rymd- och markbaserade teleskop som observerade universums första ljus (den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen), exploderande stjärnor, den största 3D-kartan över galaxer i universum, partikelacceleratorer, kärnreaktorer, och mer, sade Dr Loureiro.

"Eftersom neutriner är rikliga men små och svårfångade, vi behövde alla tillgängliga kunskaper för att beräkna deras massa och vår metod kunde tillämpas på andra stora frågor som förbryllar både kosmologer och partikelfysiker."

Forskarna använde informationen för att förbereda ett ramverk för att matematiskt modellera massan av neutriner och använde UCL:s superdator, Nåd, för att beräkna den största möjliga massan för den lättaste neutrinon till 0,086 eV (95 % CI), vilket motsvarar 1,5 x 10-37 kg. De beräknade att tre neutrinosmaker tillsammans har en övre gräns på 0,26 eV (95 % CI).

Andra författare, Ph.D. student Andrei Cuceu (UCL Physics &Astronomy), sa:"Vi använde mer än en halv miljon datortimmar för att bearbeta data; detta motsvarar nästan 60 år på en enda processor. Detta projekt tänjde på gränserna för big data-analys inom kosmologi."

Teamet säger att det är viktigt att förstå hur neutrinomassa kan uppskattas för framtida kosmologiska studier som DESI och Euclid, som båda involverar lag från hela UCL.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) kommer att studera universums storskaliga struktur och dess innehåll av mörk energi och mörk materia med hög precision. Euclid är ett nytt rymdteleskop som utvecklas tillsammans med Europeiska rymdorganisationen för att kartlägga det mörka universums geometri och evolutionen av kosmiska strukturer.

Professor Ofer Lahav (UCL Fysik &Astronomi), medförfattare till studien och ordförande för UK Consortiums of the Dark Energy Survey och DESI sa:"Det är imponerande att samlingen av galaxer på enorma skalor kan berätta för oss om massan av den lättaste neutrinon, ett resultat av grundläggande betydelse för fysiken. Denna nya studie visar att vi är på väg att faktiskt mäta neutrinomassorna med nästa generation av stora spektroskopiska galaxundersökningar, som DESI, Euklid och andra."

Arthur Loureiro et al., 'On the Upper Bound of Neutrino Masses from Combined Cosmological Observations and Particle Physics Experiment' kommer att publiceras i Fysiska granskningsbrev torsdagen den 22 augusti 2019.