KATRIN:s spektrometer, visas här, mäter exakt energin hos elektroner som sänds ut i sönderfallet av tritium, vilket har hjälpt forskare att komma närmare att fästa ner massan av den spökliknande neutrino. Kredit:KATRIN Collaboration
Ett internationellt team av forskare, inklusive forskare vid MIT, har kommit närmare att fästa ner massan av den svårfångade neutrino. Dessa spökliknande partiklar genomsyrar universum och tros ändå vara nästan masslösa, strömmar miljontals genom våra kroppar och lämnar knappt några fysiska spår.
Forskarna har bestämt att massan av neutrino ska vara högst 1 elektron volt. Forskare uppskattade tidigare den övre gränsen för neutrinomassan till cirka 2 elektronvolt, så denna nya uppskattning rakar ner neutrinos massintervall med mer än hälften.
Den nya uppskattningen bestämdes baserat på data från KATRIN, Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment, vid Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland, och rapporterade på konferensen 2019 om astropartiklar och underjordisk fysik förra veckan. Experimentet utlöser tritiumgas att förfalla, som i sin tur släpper ut neutrinoer, tillsammans med elektroner. Medan neutrinerna försvinner snabbt, KATRINs sekvens av magneter leder tritiums elektroner in i experimentets hjärta-en gigantisk 200-ton spektrometer, där elektronernas massa och energi kan mätas, och därifrån, forskare kan beräkna massan av motsvarande neutrinoer.
Joseph Formaggio, professor i fysik vid MIT, är en ledande medlem i experimentgruppen KATRIN, och talade med MIT News om den nya uppskattningen och vägen framåt i neutrinsökningen.
F:Neutrino, baserat på KATRINs resultat, kan inte vara mer massiv än 1 elektron volt. Sätt sammanhanget för oss:Hur lätt är det här, och hur stor affär är det att neutrinons maximala massa kan vara hälften av vad folk tidigare trodde?
En brunn, det är en lite svår fråga eftersom människor (inklusive jag själv) inte riktigt har en intuitiv känsla av vad massan är för någon partikel, men låt oss försöka. Tänk på något väldigt litet, som ett virus. Varje virus består av ungefär 10 miljoner protoner. Varje proton väger cirka 2, 000 gånger mer än varje elektron i viruset. Och vad våra resultat visade är att neutrino har en massa mindre än 1/500, 000 av en enda elektron.
Låt mig uttrycka det på ett annat sätt. I varje kubikcentimeter utrymme runt dig, det finns cirka 300 neutrinoer som zippar igenom. Dessa är rester av det tidiga universum, precis efter Big Bang. Om du har lagt ihop alla neutrinoer som finns inne i solen, du skulle få ungefär ett kilo eller mindre. Så, ja, den är liten.
F:Vad gick ut på att bestämma denna nya massgräns för neutrino, och vad var MIT:s roll i sökandet?
A:Denna nya massgräns kommer från att studera det radioaktiva sönderfallet av tritium, en isotop av väte. När tritium förfaller, det producerar en helium-3-jon, en elektron, och en antineutrino. Vi ser faktiskt aldrig antineutrino, dock; elektronen bär information om neutrino massan. Genom att studera energifördelningen för elektronerna som matas ut med de högsta tillåtna energierna, vi kan härleda massan av neutrino, tack vare Einsteins ekvation, E =mc 2 .
Dock, att studera dessa högenergi-elektroner är mycket svårt. För en sak, all information om neutrino är inbäddad i en liten bråkdel av spektrumet - mindre än 1 miljarddels förfall är användbara för denna mätning. Så, vi behöver mycket tritiuminventering. Vi måste också mäta energin hos dessa elektroner mycket, mycket exakt. Det är därför KATRIN -experimentet är så svårt att bygga. Vår allra första mätning som presenteras idag är kulmen på nästan två decennier av hårt arbete och planering.
MIT gick med i KATRIN -experimentet när jag kom till Boston 2005. Vår grupp hjälpte till att utveckla simuleringsverktygen för att förstå vår detektors svar på hög precision. På senare tid, vi har varit med och utvecklat verktyg för att analysera data som samlats in genom experimentet.
F:Varför spelar massan av en neutrino roll, och vad tar det för att nollställa sin exakta massa?
A:Det faktum att neutrinoer har någon massa alls var en överraskning för många fysiker. Våra tidigare modeller förutsade att neutrino skulle ha exakt noll massa, ett antagande som avlägsnas genom upptäckten att neutrinoer pendlar mellan olika typer. Det betyder att vi inte riktigt förstår mekanismen som är ansvarig för neutrino -massor, och det är sannolikt mycket annorlunda än hur andra partiklar uppnår massa. Också, vårt universum är fyllt med urneutriner från Big Bang. Även en liten massa har en betydande inverkan på universums struktur och utveckling eftersom de är så många.
Denna mätning är bara början på KATRINs mätning. Med bara en månads data, vi kunde förbättra tidigare experimentella gränser med en faktor två. Under de närmaste åren, dessa gränser kommer att förbättras stadigt, förhoppningsvis resulterar i en positiv signal (snarare än bara en gräns). Det finns också ett antal andra direkta neutrino -massförsök i horisonten som också tävlar om att nå större känslighet, och med det, upptäckt.
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
