Стандардни модел физике честица један је од најимпресивнијих подвига науке. То је строг, прецизан напор да се разумеју и опишу три од четири основне силе Универзума: електромагнетна сила, јака нуклеарна сила и слаба нуклеарна сила. Гравитација је изостала јер је досад уклапање у стандардни модел било изузетно изазовно.
Али у Стандардном моделу постоје неке рупе, а једна од њих укључује масу неутрина.
Постојање неутрина први пут је предложено 1930. године, а затим откривено 1956. Од тада, физичари су сазнали да постоје три врсте неутрина и они су обилни и неухватљиви. Само посебни објекти могу их открити јер ретко комуницирају са другом материјом. Постоји неколико извора за њих, а неки од њих прелазе кроз свемир још од Великог праска, али већина неутрина у близини Земље долази са Сунца.
Стандардни модел предвиђа да неутрини немају масу, попут фотона. Али физичари су открили да се три врсте неутрина могу трансформисати једна у другу док се крећу. Према физичарима, они би то могли да постигну само ако имају масу.
Али колико масе? То је питање које кочи физичаре честица. А одговор на то питање део је онога што покреће научнике на КАТРИН-у (Карлсрухе Тритиум Неутрино Екперимент.)
„Ови налази у сарадњи са КАТРИН-ом смањују претходни опсег масе неутрина за фактор два ...“
ХАМИСХ РОБЕРТСОН, КАТРИНСКИ НАУЧНИК И ПРОФЕСОРСКИ ЕМЕРИТУС ФИЗИКЕ НА УНИВЕРЗИТЕТУ ВАСХИНГТОН.
Тим истраживача пронашао је део одговора на то: маса неутрина не може бити већа од 1,1 електрона волта (еВ.) Ово је смањење горње границе масе неутрина за скоро 1 еВ; од 2 еВ до 1,1 еВ. Градећи на претходним експериментима који су постављали доњу границу масе на 0,02 еВ, ови истраживачи су поставили нови опсег за неутрину масу. Показује да неутрино има мање од 1 / 500,000тх масе електрона. Ово је важан корак у унапређивању стандардног модела.
„Познавање масе неутрина омогућиће научницима да одговоре на основна питања из космологије, астрофизике и физике честица…“
Хамисх Робертсон, научник КАТРИН и професор емеритус физике на Универзитету Васхингтон.
Истраживачи који стоје иза овог рада долазе из 20 различитих истраживачких институција широм света. Раде са КАТРИН-ом на Карлсрухе Институте оф Тецхнологи у Немачкој. КАТРИН постројење има 10 метрски спектрометар високе резолуције који му омогућава да мери енергију електрона са великом прецизношћу.
Тим КАТРИН-а представио је своје резултате на конференцији „Теме из астро-честица и подземне физике“ 2019. године у Тоиами у Јапану 13. септембра.
"Познавање масе неутрина омогућиће научницима да одговоре на основна питања из космологије, астрофизике и физике честица, као на пример како се универзум развио или шта физика постоји изван стандардног модела", рекао је Хамисх Робертсон, научник КАТРИН-а и професор емеритус физике на Универзитету Васхингтон. „Ови налази у сарадњи са КАТРИН-ом смањују претходни опсег масе неутрина за фактор два, постављају строже критеријуме о томе која је маса неутрина заправо и пружају пут ка напредном мерењу вредности.“
Неутринове је тешко тешко открити, иако их има у изобиљу. Само су фотони обилнији. Као што каже њихово име, они су електрично неутрални. То их изузетно детектује. Постоје неутринска опсерваторија потонула дубоко на леду Антарктика, а такође дубоко у напуштеним минама. Често користе тешку воду да привуку неутринове да комуницирају. Када неутрино делује у интеракцији, он производи Черенково зрачење које се може измерити.
"Ако бисте испунили Сунчев систем педесет пута изван орбите Плутона, око половине неутрина које емитује Сунце би и даље напустило Сунчев систем без интеракције са тим оловом", рекао је Робертсон.
Историја неутрина се временом развијала експериментима попут КАТРИН-а. Првобитно је стандардни модел предвидио да неутрини неће имати масу. Али 2001. године, два различита детектора показала су да њихова маса није једнака нули. Нобелова награда за физику за 2015. годину додељена је двојици научника који су показали да неутрини могу осцилирати између типова, показујући да имају масу.
КАТРИН постројење мери масу неутрина посредно. Дјелује надгледањем распадања тритијума, који је високо-радиоактивни облик водоника. Како се изотоп тритијума распада, он емитује парове честица: електрон и анти-неутрино. Заједно, они деле 18.560 еВ енергије.
У већини случајева, пар честица дели 18.560 еВ подједнако. Али у ретким случајевима, електрон избацује већину енергије, а неутрину оставља врло мало. На ове ретке случајеве су научници фокусирани.
Због Е = мЦ2, малена количина енергије која остаје за неутрино у овим ретким случајевима мора такође бити једнака његовој маси. Пошто КАТРИН има моћ тачног мерења електрона, такође може да одреди и неутрину масу.
"Решавање масе неутрина одвело би нас у храбар нови свет стварања новог стандардног модела", рекао је Петер Дое, професор физике са Универзитета у Вашингтону који ради на КАТРИН-у.
Овај нови стандардни модел који Дое спомиње, може имати потенцијал да објашњава тамну материју, која чини већину материје у Универзуму. Напори попут КАТРИН-а могу једног дана открити други, четврти тип неутрина који се назива стерилни неутрино. За сада је овај четврти тип само претпоставка, али кандидат је за тамну материју.
"Неутрини су чудне мале честице", рече Дое. "Они су тако свеприсутни и толико можемо да научимо када утврдимо ову вредност."
Показивање да неутрини имају масу и да ограничавају распон те масе су обоје важни. Али физичари честица још увек не знају како добијају своју масу. То је вероватно другачије од тога како друге честице добијају своје.
Резултати попут КАТРИН-а помажу у затварању рупа у Стандардном моделу и у нашем укупном разумевању Универзума. Универзум је пун древних неутрина из Великог праска, а свако напредовање масе неутрина помаже нам да схватимо како се Универзум формирао и развијао.
Више:
- Саопштења за јавност: КАТРИН је преполовио процену масе неухватљивог неутрина
- Карлсрухе технолошки институт: КАТРИН
- ЦЕРН: Стандардни модел
- Магазин Симметри: Пет мистерија који стандардни модел не могу објаснити
- МИТ Невс: 3К: Научници ће обријати процену масе неутрина у пола
