Ett internationellt team av forskare har tillkännagett ett genombrott i sin strävan att mäta massan av neutrinon, en av de rikligaste, ändå svårfångad, elementarpartiklar i vårt universum.

Vid 2019 års konferens om ämnen i astropartiklar och underjordisk fysik i Toyama, Japan, ledare från KATRIN-experimentet rapporterade den 13 september att det uppskattade intervallet för neutrinons vilomassa inte är större än 1 elektronvolt, eller eV. Dessa invigningsresultat som erhölls tidigare i år av Karlsruhe Tritium Neutrino-experimentet – eller KATRIN – minskade massintervallet för neutrinon med mer än hälften genom att sänka den övre gränsen för neutrinons massa från 2 eV till 1 eV. Den nedre gränsen för neutrinomassan, 0,02 eV, sattes av tidigare experiment av andra grupper.

"Att känna till massan av neutrinon kommer att göra det möjligt för forskare att svara på grundläggande frågor inom kosmologi, astrofysik och partikelfysik, till exempel hur universum utvecklades eller vilken fysik som existerar bortom standardmodellen, " sa Hamish Robertson, en KATRIN-forskare och professor emeritus i fysik vid University of Washington. "Dessa fynd från KATRIN-samarbetet minskar det tidigare massintervallet för neutrinon med en faktor två, ställ strängare kriterier på vad neutrinons massa faktiskt är, och ge en väg framåt för att definitivt mäta dess värde."

KATRIN-experimentet är baserat på Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland och involverar forskare vid 20 forskningsinstitutioner runt om i världen. Förutom University of Washington, KATRIN medlemsinstitutioner i USA är:

• University of North Carolina vid Chapel Hill, ledd av professorn i fysik och astronomi John Wilkerson, en tidigare UW-fakultetsmedlem
• Massachusetts Institute of Technology, ledd av professorn i fysik Joseph Formaggio
• Lawrence Berkeley National Laboratory, ledd av Nuclear Science Divisions biträdande direktör Alan Poon
• Carnegie Mellon University, ledd av biträdande professor i fysik Diana Parno
• Case Western Reserve University, ledd av docent i fysik Benjamin Monreal

Under Robertson och Wilkerson, University of Washington blev en av KATRINs grundande medlemsinstitutioner 2001. Wilkerson flyttade senare till University of North Carolina vid Chapel Hill. Formaggio och Parno började sitt engagemang med KATRIN som UW-forskare och flyttade senare till sina nuvarande institutioner. Förutom Robertson, andra nuvarande UW-forskare som arbetar med KATRIN-experimentet är forskningsprofessorn i fysik Peter Doe, forskningsdocent i fysik Sanshiro Enomoto och Menglei Sun, en postdoktor vid UW Center for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics.

Neutrinos är rikligt. De är en av de vanligaste fundamentala partiklarna i vårt universum, näst efter fotoner. Ändå är neutriner också svårfångade. De är neutrala partiklar utan laddning och de interagerar med annan materia endast genom det passande namnet "svag interaktion, " vilket innebär att möjligheter att upptäcka neutriner och mäta deras massa är både sällsynta och svåra.

"Om du fyllde solsystemet med bly ut till femtio gånger bortom Plutos omloppsbana, ungefär hälften av de neutriner som sänds ut av solen skulle fortfarande lämna solsystemet utan att interagera med det blyet, sa Robertson.

Neutrinos är också mystiska partiklar som redan har skakat om fysiken, kosmologi och astrofysik. Standardmodellen för partikelfysik hade en gång förutspått att neutriner inte skulle ha någon massa. Men år 2001 forskare hade visat med två detektorer, Super-Kamiokande och Sudbury Neutrino Observatory, att de faktiskt har en massa som inte är noll – ett genombrott som erkändes 2015 med Nobelpriset i fysik. Neutrinos har massa, men hur mycket?

"Att lösa massan av neutrinon skulle leda oss in i en modig ny värld för att skapa en ny standardmodell, sa Doe.

KATRIN-upptäckten härrör från direkt, högprecisionsmätningar av hur en sällsynt typ av elektron-neutrinopar delar energi. Detta tillvägagångssätt är detsamma som neutrinomassexperiment från 1990-talet och början av 2000-talet i Mainz, Tyskland, och Troitsk, Ryssland, som båda satte den tidigare övre gränsen för massan till 2 eV. Hjärtat i KATRIN-experimentet är källan som genererar elektron-neutrino-par:gasformigt tritium, en mycket radioaktiv isotop av väte. När tritiumkärnan genomgår radioaktivt sönderfall, den avger ett par partiklar:en elektron och en neutrino, båda delar 18, 560 eV energi.

KATRIN-forskare kan inte direkt mäta neutrinerna, men de kan mäta elektroner, och försök att beräkna neutrinoegenskaper baserat på elektronegenskaper.

De flesta av elektron-neutrinoparen som emitteras av tritium delar sin energibelastning lika. Men i sällsynta fall, elektronen tar nästan all energi – lämnar bara en liten mängd kvar till neutrinon. Dessa sällsynta par är vad KATRIN-forskare är ute efter eftersom – tack vare E =mc2 – vet forskarna att den minimala mängden energi som finns kvar för neutrinon måste inkludera dess vilomassa. Om KATRIN kan mäta elektronens energi exakt, de kan beräkna neutrinons energi och därför dess massa.

Tritiumkällan genererar cirka 25 miljarder elektron-neutrinopar varje sekund, endast en bråkdel av dessa är par där elektronen tar nästan all sönderfallsenergi. KATRIN-anläggningen i Karlsruhe använder en komplex serie magneter för att kanalisera elektronen bort från tritiumkällan och mot en elektrostatisk spektrometer, som mäter elektronernas energi med hög precision. En elektrisk potential inom spektrometern skapar en "energigradient" som elektroner måste "klättra upp på" för att passera genom spektrometern för detektering. Justering av den elektriska potentialen gör det möjligt för forskare att studera de sällsynta, högenergielektroner, som innehåller information om neutrinomassan.

Amerikanska institutioner har gjort breda bidrag till KATRIN, inklusive tillhandahållande av elektrondetektorsystemet – "ögat" av KATRIN – som ser in i hjärtat av spektrometern, ett instrument byggt vid UW. University of North Carolina vid Chapel Hill ledde utvecklingen av detektorns datainsamlingssystem, KATRINs "hjärnor". MIT:s bidrag var designen och utvecklingen av simuleringsmjukvaran som användes för att modellera KATRINs svar. Lawrence Berkeley National Laboratory bidrog till skapandet av fysikanalysprogrammet och gav tillgång till nationella datorfaciliteter, och snabb analys möjliggjordes av en serie applikationer som har sitt ursprung i UW. Case Western Reserve University var ansvarig för designen av elektronpistolen, central för kalibrering av KATRIN-apparaten. Carnegie Mellon University bidrog främst till analys, med särskild uppmärksamhet på bakgrund och passform, och hjälpte till med analyskoordinering för experimentet.

Med tritiumdatainsamling nu pågår, Amerikanska institutioner är fokuserade på att analysera dessa data för att ytterligare förbättra vår förståelse av neutrinomassa. Dessa ansträngningar kan också avslöja förekomsten av sterila neutriner, en möjlig kandidat för den mörka materien som, även om det står för 85 % av materien i universum, förblir oupptäckt.

"KATRIN är inte bara en lysande ledstjärna för grundforskning och ett enastående pålitligt högteknologiskt instrument, men också en motor för internationellt samarbete, som ger förstklassig utbildning av unga forskare, " sa KATRINs medtalespersoner Guido Drexlin vid Karlsruhe Institute of Technology och Christian Weinheimer vid universitetet i Münster i ett uttalande.

Nu när KATRIN-forskare har satt en ny övre gräns för massan av neutrinon, projektforskare arbetar för att begränsa intervallet ytterligare.

"Neutrinos är konstiga små partiklar, " sade Doe. "De är så allestädes närvarande, och det finns så mycket vi kan lära oss när vi väl har bestämt detta värde."

U.S.A. Department of Energy's Office of Nuclear Physics har finansierat USA:s deltagande i KATRIN-experimentet sedan 2007.