Vad är massan av en neutrino i vila? Detta är en av de stora obesvarade frågorna inom fysiken. Neutrinos spelar en central roll i naturen. Ett team som leds av Klaus Blaum, direktör vid Max Planck-institutet för kärnfysik i Heidelberg, har nu gjort ett viktigt bidrag för att "väga" neutriner som en del av det internationella ECHo-samarbetet. Deras resultat publiceras i Nature Physics .

Med hjälp av en Penning-fälla har den mätt förändringen i massa av en holmium-163-isotop med extrem precision när dess kärna fångar en elektron och förvandlas till dysprosium-163. Från detta kunde den bestämma Q-värdet 50 gånger mer exakt än tidigare. Med hjälp av ett mer exakt Q-värde kan eventuella systematiska fel i bestämningen av neutrinomassan avslöjas.

På 1930-talet visade det sig att varken energi- eller momentumbalansen är korrekt i en atomkärnas radioaktiva betasönderfall. Detta ledde till postulatet om "spökpartiklar" som "i hemlighet" bär bort energi och fart. 1956 erhölls äntligen experimentella bevis för sådana neutriner. Utmaningen:neutriner interagerar endast med andra partiklar av materia via den svaga interaktionen som också ligger till grund för beta-sönderfallet i en atomkärna.

Av denna anledning kan hundratals biljoner neutriner från kosmos, särskilt solen, passera genom våra kroppar varje sekund utan att orsaka någon skada. Extremt sällsynta neutrinokollisioner med andra partiklar av materia kan bara upptäckas med enorma detektorer.

Solneutrinos gav en annan banbrytande uppenbarelse:de tre typerna av neutrinon som hittills är kända kan förvandlas till varandra. Dessa "neutrino-svängningar" fick dock en allvarlig konsekvens för partikelfysikens världsbild. Tidigare antog man att neutriner inte hade någon vilomassa, som fotoner.

Detta skulle vara kompatibelt med standardmodellen för partikelfysik, den bästa beskrivningen av partikelvärlden hittills. Svängningarna tvingade dock fram en vilomassa för neutriner – en ytterligare indikation på att ny fysik måste existera bortom standardmodellen.

Att känna till neutrinons exakta vilomassa skulle därför vara en öppen sesam in i den nya fysikens okända värld. Tyvärr kan du inte bara placera en neutrino på en skala. Detta kräver extremt komplexa experiment på tekniskt tillgängliga fysiska processer som involverar neutriner.

"Ett sätt är beta-sönderfallet av tritium", förklarar Christoph Schweiger, doktorand vid Klaus Blaums avdelning vid Max Planck Institute for Nuclear Physics. Här sönderfaller en av de två neutronerna i det supertunga vätet till en proton och avger en elektron och en neutrino och omvandlar därigenom atomen till lättare helium. Denna process "vägs" av KATRIN-experimentet vid Karlsruhe Institute of Technology.

"Den komplementära vägen är elektronfångningen av den artificiella isotopen holmium-163", fortsätter Schweiger. Här fångar atomkärnan en elektron från det inre elektronskalet, varvid en proton omvandlas till en neutron, vilket resulterar i grundämnet dysprosium-163. Detta frigör bland annat också en neutrino. Det internationella ECHo-samarbetet, där Heidelberg-forskarna är inblandade, försöker mäta denna sönderfallsprocess energiskt med extrem precision.

Enligt Einsteins E =mc ² , massa och energi är ekvivalenta, så att mäta energi kan likställas med att väga massor. Som en "kalorimeter" mäter ECHo extremt noggrant den totala energin som frigörs i detta sönderfall:Detta motsvarar maximalt Q-värdet minus restmassan av neutrinon som frigörs. För detta ändamål är isotopen holmium-163 inkorporerad i ett lager av guldatomer.

"Men dessa guldatomer kan ha ett inflytande på holmium-163", förklarar Schweiger. "Det är därför viktigt att mäta värdet på Q så exakt som möjligt med en alternativ metod och att jämföra det med det kalorimetriskt bestämda värdet för att upptäcka möjliga systematiska felkällor."

Det är här Heidelberg-pentatrap-experimentet och Schweigers doktorsavhandling kommer in i bilden. Pentatrap består av fem Penning-fällor. I dessa fällor kan elektriskt laddade atomer fångas i en kombination av ett statiskt elektriskt och magnetiskt fält.

Dessa joner utför en intrikat "cirkeldans", som gör att deras massa kan bestämmas med extrem precision. "Med en Airbus A-380 med maximal belastning kan du använda denna känslighet för att avgöra om en enda droppe vatten har landat på den", säger fysikern och illustrerar kapaciteten hos denna superskala.

I princip fungerar en Penning-fälla som en gunga. Om du placerar två barn med olika vikt bredvid varandra på två gungor av samma typ och trycker på dem lika hårt, kommer du gradvis att observera en förskjutning i svingfrekvenserna. Detta kan användas för att beräkna skillnaden i vikt mellan de två barnen.

När det gäller pentatrap-experimentet är detta skillnaden i massa mellan en holmium-163-jon och en dysprosium-163-jon. Dessutom, ju snabbare båda barnen svänger, desto snabbare erhålls resultatet, vilket också är mycket mer exakt för samma observationstid än för långsamt svängande.

Av denna anledning tog teamet bort 38, 39 och 40 elektroner från de "högt laddade" jonerna i tre olika serier av mätningar, vilket gör deras "cirkeldans" avsevärt snabbare. "Om allt fungerar tar en mätning bara några veckor", säger Schweiger.

Från skillnaderna i massa som ett resultat av olika frekvensmätningar, via E =mc ² Heidelberg-forskarna kunde äntligen bestämma ett Q-värde för elektroninfångning som var 50 gånger mer exakt än tidigare. "Bidraget från de tre teorigrupperna, inklusive Christoph Keitels grupp här på institutet, var lika viktigt som vår mätning", betonar Schweiger.

Förutom frekvensskillnaden mellan de två jonerna, har en andra variabel ett betydande inflytande på det bestämda Q-värdet:energin som lagras i det återstående elektronsystemet hos en högladdad jon. Eftersom en så stor jon är ett multipartikelsystem var beräkningen motsvarande komplex.

Det visade sig att beräkningarna resulterade i nästan exakt samma Q-värden för de tre uppmätta laddningstillstånden med 38, 39 och 40 elektroner borttagna. Detta gjorde det klart att systematiska osäkerheter i experiment och teori kunde uteslutas, framhåller Schweiger entusiastiskt. Och vad betyder detta för neutrinomassorna?

KATRIN bestämde den hittills mest exakta övre gränsen för neutrinomassan genom att "väga" med 0,8 elektronvolt per ljushastighet i kvadrat, vilket motsvarar ofattbara 0,00000000000000000000000000000000000000014 kilogram.

Denna storleksordning på 10 ^-36 motsvarar ungefär viktförhållandet mellan fyra russin och solen. Och det är bara en övre gräns. Analysen av den uppskattade massfördelningen i universum kommer till och med fram till en betydligt lägre övre gräns för neutrinomassorna på 0,12 elektronvolt per ljushastighet i kvadrat.

"Denna analys är dock mycket komplex och beror på den kosmologiska modellen som används", säger Schweiger. Klart är i alla fall att alla som vill väga neutriner står inför extrema utmaningar i gränsen till vad som är tekniskt möjligt. Mot denna bakgrund är Heidelberg-resultatet ett stort steg framåt på vägen mot att lösa mysteriet med neutrinomassorna.

Mer information: Direkt Penning-trap-mätning med hög precision av Q-värdet för elektroninfångningen i 163Ho för bestämning av elektronneutrinomassan, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9

Journalinformation: Naturfysik

Tillhandahålls av Max Planck Society