Велика машина за бројање електрона индиректно је показала мерење клизава познатих честица у физици - и додала је доказе за тамну материју.
То мерење је први резултат међународног напора за мерење масе неутрина - честица које испуњавају наш универзум и одређују његову структуру, али које ми једва можемо да откријемо. Неутрини, према немачком експерименту Карлсрухе Тритиум Неутрино (КАТРИН), немају више од 0,0002% масе електрона. Тај број је толико низак да чак и да збројимо све неутрине у универзуму, они не би могли да објасне његову несталу масу. А та чињеница додаје гомилу доказа за постојање тамне материје.
КАТРИН је у основи веома велика машина за бројање супер-високоенергетских електрона који су избили из узорка тритијума - радиоактивног облика водоника. са једним протоном и два неутрона у сваком атому. Тритијум је нестабилан, а његови неутрони се распадају у електро-неутрино парове. КАТРИН тражи електроне, а не неутрине јер су неутрини сувише слаби да би их тачно измерили. А машина користи тритијумски гас, према Хамисху Робертсону, научнику из КАТРИН-а и професору емеритусу са Универзитета у Васхингтону, јер је једини извор електро-неутрина довољно једноставан да би могао да добије добро мерење масе.
Неутринове је мање или више немогуће прецизно измерити сами, јер имају тако малу масу и склони су да прескачу детекторе без интеракције са њима. Да би утврдио масу неутрина, Робертсон је рекао Ливе Сциенце-у, КАТРИН броји најенергичније електроне и делује назад од тог броја да би закључио масу неутрина. Објављени су први резултати КАТРИН-а, а истраживачи су дошли до раног закључка: Неутринови имају масу не већу од 1,1 електрона волта (еВ).
Електронски волти су јединице масе и енергије које физичари користе када говоре о најмањим стварима у свемиру. (На скали основних честица, енергија и маса се мере помоћу истих јединица, а парови неутрино-електрона морају да имају комбиноване нивое енергије еквивалентне извору неутрона.) Хигсов бозон, који другим честицама даје њихову масу, има маса од 125 милијарди ЕВ. Протони, честице у центру атома, имају масе од око 938 милиона еВ. Електрони су само 510,000 еВ. Овај експеримент потврђује да су неутрини невероватно ситни.
КАТРИН је веома велика машина, али његове методе су јасне, рекао је Робертсон. Прва комора уређаја пуна је гасовитих тритијума, чији неутрони природно пропадају у електроне и неутрине. Физичари већ знају колико енергије укључује када распадне неутрон. Дио енергије се претвара у масу неутрина и масу електрона. А остатак се улива у те новостворене честице, врло грубо диктирајући како брзо иду. Обично се та додатна енергија прилично равномерно распоређује између електрона и неутрина. Али понекад се већина или сва преостала енергија баци у једну или другу честицу.
У том случају, сва преостала енергија после формирања неутрина и електрона се одбацује у партнера електрона, формирајући супер-високо-енергетски електрон, рекао је Робертсон. То значи да се маса неутрина може израчунати: То је енергија која учествује у распаду неутрона умањена за масу електрона и максимални енергетски ниво електрона у експерименту.
Физичари који су дизајнирали експеримент нису покушали да мере неутрине; онима је дозвољено да не додирују машину. Уместо тога, експеримент усмерава електроне у џиновску вакуумску комору, звану спектрометар. Електрична струја тада ствара веома снажно магнетно поље кроз које могу проћи само електрони највише енергије. На другом крају те коморе је уређај који броји колико електрона пролази кроз поље. Док КАТРИН полако повећава снагу магнетног поља, рекао је Робертсон, број електрона који пролазе кроз смањивање - готово као да ће изблиједити све до нуле. Али на крају тог спектра нивоа енергије електрона нешто се догађа.
"Спектар изненада умире, пре него што дођете до крајње тачке, јер масу неутрина електрон не може украсти. Увек га треба оставити за неутрине", рекао је Робертсон. Маса неутрина мора бити мања од малене количине енергије која недостаје са самог краја спектра. И након неколико недеља рушења, експериментатори су тај број смањили на отприлике половину броја о коме су физичари раније знали.
Идеја да неутрини уопште имају масу је револуционарна; Стандардни модел, теорија физике основног слоја која описује субатомски свет, једном када су инсистирали да неутрини уопште немају масу, указао је Робертсон. Још од 1980-их, руски и амерички истраживачи покушавали су да мере неутринске масе, али њихови резултати су били проблематични и непрецизни. У једном тренутку, руски истраживачи су масу неутрина закачили на тачно 30 еВ - леп број који би открио неутрине као везу која недостаје и која би објаснила велику гравитациону структуру свемира, попуњавајући сву несталу масу - али једну то се испоставило да није у реду.
Робертсон и његове колеге најпре су почели да раде са гасовитим тритијумом, пошто су схватили да помало радиоактивна супстанца нуди најпрецизнији извор распада неутрона који је доступан науци.
"Ово је била дуга потрага", рекао је Робертсон. "Руско мерење 30 еВ било је веома узбудљиво јер би гравитационо затворило свемир. И још увек је узбудљиво из тог разлога. Неутрини играју велику улогу у космологији и вероватно су обликовали структуру свемира великих размера."
Све те слабе честице које лете око влаке на све остало својом гравитацијом, и узимају и позајмљују енергију из свих осталих материја. Иако се масовни број смањује, рекао је Робертсон, прецизна улога ових малих честица постаје компликованија.
Број 1.1 еВ, рекао је истраживач, занимљив је због тога што је први број експериментално добијених неутрино маса који није довољно висок да би сам објаснио структуру остатка свемира.
"Постоји материја о којој још увек ништа не знамо. Постоји та тамна материја", а она се не може састојати од неутрина о којима знамо, рекао је.
Тако овај мали број из велике вакуумске коморе у Немачкој, у најмању руку, додаје гомилу доказа да свемир има елементе које физика још увек не разуме.
