Fizicienii au făcut un pas mic, dar semnificativ în măsurarea masei unei „particule fantomă” evazive numită neutrini — o realizare care ar putea face o gaură semnificativă în Modelul standard al fizicii particulelor.
O măsurare precisă a masei neutrinului le-ar permite fizicienilor să aprofundeze evoluția universului nostru și, eventual, să găsească o fizică nouă, nedescoperită, care pândește dincolo de Modelul standard. Dar măsurarea acestei mase nu este ușoară. Porecla înfricoșătoare a particulelor este bine câștigată: le lipsește o sarcină electrică și aproape nu au masă, ceea ce înseamnă că zboară direct prin materia obișnuită, aproape de viteza luminii.
Deci, pentru a se apropia de cea mai precisă limită superioară a masei neutrinului de până acum, cercetătorii au trebuit să conceapă un experiment cu o sensibilitate fără precedent. Ei și-au raportat descoperirile într-o lucrare publicată pe 19 aprilie în jurnal Fizica naturii.
„Cu un Airbus A-380 cu o sarcină maximă, puteți folosi această sensibilitate pentru a determina dacă o singură picătură de apă a aterizat pe el.” Christoph Schweigerdoctorand la Institutul Max Planck pentru Fizică Nucleară din Germania și primul autor al studiului, a spus într-o declarație.
În fiecare secundă, aproximativ 100 de miliarde de neutrini trec prin fiecare centimetru pătrat al corpului tău. Particulele minuscule sunt peste tot – produse în foc nuclear al stelelorîn explozii enorme de supernove, prin raze cosmice și dezintegrare radioactivă și în acceleratoare de particule și reactoare nucleare de pe Pământ.
De fapt, neutrinii, care au fost descoperiți pentru prima dată ieșind dintr-un reactor nuclear în 1956, sunt pe locul doi după fotoni (particule de lumină) ca fiind cele mai abundente particule subatomice din univers.
În trecut, fizicienii au presupus că neutrinii (la fel ca fotonii) nu aveau masă de repaus – un fapt care ar face existența lor compatibilă cu modelul standard al fizicii particulelor. Dar această presupunere a fost contestată de descoperirea neutrinilor care curg din soare, care pot comuta la întâmplare între cele trei „arome” de neutrini – neutrini electroni, muoni și tau, care se referă la diferitele particule cu care neutrinii interacționează.
O astfel de transformare ar trebui să fie posibilă numai dacă neutrinii au o anumită masă, ceea ce îi determină pe fizicieni să proiecteze experimente complexe pentru a o măsura.
O fantomă pe cântar
Din punct de vedere tehnic, ciudățenia amestecării mecanice cuantice dintre cele trei arome de neutrini înseamnă că niciuna dintre ele nu are o masă bine definită. În schimb, ele sunt combinații de trei „stări de masă” diferite. Aceasta înseamnă că fizicienii nu caută o citire exactă a masei unui neutrin, ci o limită superioară a cât de mare ar putea fi această masă.
Aproape 99% din masa oricărui obiect, inclusiv propriul nostru corp, provine din energia de legare care menține particulele elementare împreună în interiorul atomilor. Cu toate acestea, restul de 1% din masă este intrinsec acelor particule.
Pentru a găsi această masă intrinsecă, fizicienii caută ceva numit valoarea Q – diferența dintre suma maselor reactanților inițiali și suma maselor produselor finali. Cu această valoare în mână, măsurătorile suplimentare pot extrage masa intrinsecă din masa totală a atomului.
Un experiment de măsurare a masei neutrinului, experimentul Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) din Germania, a găsit o estimare precisă a masei neutrinului prin măsurarea energiei – și, prin urmare, prin E-ul lui Einstein = mc2diferența de masă – pe măsură ce hidrogenul supergreu s-a degradat în heliu, emițând un electron și un neutrin în acest proces.
Cel mai bun rezultat al experimentului KATRIN a găsit o limită superioară a masei neutrinilor de 0,8 electronvolți, ceea ce o face de aproximativ 500.000 de ori mai mică decât masa unui electron.
Această măsurătoare poate fi făcută și în sens invers, observând un electron care este captat de izotopul artificial holmium-163, transformându-l în disprosium-163 și eliberând un neutrin. Dar pentru a face acest lucru, izotopul trebuie să fie înconjurat de atomi de aur.
„Cu toate acestea, acești atomi de aur ar putea avea o influență asupra holmiului-163”, a spus Schweiger. „Este deci important să se măsoare valoarea lui Q cât mai precis posibil folosind o metodă alternativă” și să o compare cu valoarea masei determinată prin metoda KATRIN pentru a detecta posibile surse de eroare.
Pentru a se apropia de o măsurare separată a masei evazive a neutrinului, cercetătorii au conceput un experiment cunoscut sub numele de Penantrap – o combinație de cinci „capcane Penning”, care pot captura atomi în interiorul unei combinații de câmp electric și camp magneticîn care se balansează într-o mișcare complicată cunoscută sub numele de „dans în cerc”.
Prin plasarea ionilor de holmiu-163 și disproziu-163 încărcați în capcanele Penning și măsurând diferențele subtile în ratele lor de balansare, fizicienii au măsurat diferența de energii cauzată de neutrino suplimentar.
Rezultatul a fost o măsurare a unei valori Q despre care cercetătorii spun că este de 50 de ori mai precisă decât rezultatul oricărui experiment anterior. Cu acest rezultat în mână, o limită superioară și mai bună pentru masa neutrinului este un pas mic – dar în consecință – mai aproape.