Resultaten av KATRIN -experimentet utesluter en lätt steril neutrino med en massa mellan 3 och 30 elektronvolt. En neutrino inom detta område skulle ha avslöjat sig genom en böjning i den orangea linjen, t.ex. som visas här vid 10 elektronvolt under slutvärdet 18,6 kiloelektronvolt. (Grön linje:Spektrum av en virtuell ljus steril neutrino med en massa på 10 eV; blå linje:spektrum av den klassiska, aktiv neutrino; orange linje:kombinerat spektrum. Upphov:Plot:KATRIN -samarbete
Det finns många frågor kring elementärpartikelneutrino, särskilt när det gäller dess massa. Fysiker är också intresserade av om det förutom de "klassiska" neutrinerna finns varianter som de så kallade sterila neutrinerna. KATRIN -experimentet har nu lyckats kraftigt förminska sökandet efter dessa svårfångade partiklar. Publikationen dök upp nyligen i tidningen Fysiska granskningsbrev .
Strängt talat, neutrino är inte en enda partikel utan består snarare av flera arter:elektronneutrino, muon neutrinon, och tau neutrino. Dessa partiklar förvandlas ständigt till varandra i en process som kallas neutrinooscillation. Det antas att neutriner har massa; detta ska bestämmas i KATRIN-experimentet, som startade 2019 vid Karlsruhe Institute for Technology (KIT). Enligt resultaten hittills, neutrino har en massa mindre än 1 elektron volt.
KATRIN skulle också kunna användas för att spåra besläktade arter som hittills bara varit hypotetiska:De sterila neutrinerna. Den tyngre grenen (massa i kiloelektronvoltsintervall) anses vara en kandidat för mörk materia och kommer att sökas efter att en ny detektor har installerats i KATRIN. Förutom detta, det kan också finnas en lättare steril neutrino -typ.
Nya uteslutningskriterier för den ljussterila neutrino
En hel del experiment letar efter ljussterila neutrinos (massa i elektronvoltsområdet). Det kan också avslöja sig i KATRIN -experimentet. Massan och blandningsförhållandet mellan aktiva (normala) och sterila neutrinoer spelar en viktig roll i sökandet efter den lätta sterila neutrino.
Området till vänster om linjerna visar sökområdena för de olika experimenten för den ljussterila neutrinon. Området inuti de gröna linjerna markerar den mest troliga platsen för lätta sterila neutrinoer. Utvärderingar av KATRIN -experimentet (blå heldragen linje) minskar avsevärt detta sökintervall. Kredit:Plot:KATRIN -samarbete
Susanne Mertens och hennes team vid Max Planck Institute for Physics (MPP) lyckades definiera nya uteslutningsgränser med hjälp av KATRIN. "Med våra utvärderingar, vi kunde avsevärt minska sökområdet för denna neutrino, säger Mertens.
Med den nya analysen av KATRIN-data, utvecklad av gruppen Susanne Mertens och Thierry Lasserre på MPP, förekomsten av sterila neutrinoer med en massa mellan cirka 3 och 30 elektronvolt och ett blandningsförhållande större än 10% kan nu uteslutas. Detta resultat kompletterar tidigare uppnådda uteslutningsgränser.
Sök genom att mäta neutrinomassan
Men hur kan KATRIN hitta sterila neutrinoer? Med samma metod, experimentet bestämmer också massan av den aktiva neutrino. Neutrinons massa kan mätas via radioaktivt sönderfall. KATRIN använder tritium (tungt vatten) för detta ändamål. När en proton omvandlas till en neutron, en neutrino och en elektron produceras. Nedbrytningsenergin på 18,6 kiloelektronvolt är uppdelad mellan dem.
"Vi vet att neutrino är extremt lätt och tar bara emot en liten bråkdel av sönderfallsenergin, "säger Mertens." Elektronens maximala energi reduceras med neutrino -massan. "Neutrino -massan beror därför på skillnaden mellan sönderfallsenergin och elektronens maximala energi.
Detekteringen av den ljussterila neutrino skulle följa samma princip. Om sterila neutriner också frigörs under radioaktivt sönderfall, det skulle lämna ett synligt spår i elektronernas energispektrum. "Då skulle en tydlig böj uppträda i kurvan", förklarar Mertens. "Detta skulle tillåta KATRIN att inte bara bestämma massan av aktiva neutriner utan också bevisa existensen av en annan neutrinoart."
