Parçacık Fiziğinin Standart Modeli, bilimin en etkileyici özelliklerinden biridir. Evrenin dört temel kuvvetinden üçünü anlamak ve tanımlamak için titiz ve kesin bir çabadır: elektromanyetik kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve zayıf nükleer kuvvet. Yerçekimi yoktur, çünkü şimdiye kadar, onu Standart Modele yerleştirmek son derece zordur.
Ancak Standart Modelde bazı delikler vardır ve bunlardan biri nötrino kütlesini içerir.
Nötrino'nun varlığı ilk olarak 1930'da önerildi, daha sonra 1956'da tespit edildi. O zamandan beri fizikçiler üç tür nötrino olduğunu öğrendiler ve bol ve zor. Sadece özel tesisler onları tespit edebilir, çünkü diğer maddelerle nadiren etkileşirler. Onlar için birkaç kaynak var ve bazıları Büyük Patlama'dan beri uzayda sıkışıyor, ancak Dünya yakınlarındaki nötrinoların çoğu Güneş'ten geliyor.
Standart Model, nötrinoların fotonlar gibi kütlesi olmadığını tahmin eder. Ancak fizikçiler, üç tip nötrino türünün hareket ettikçe birbirlerine dönüşebileceğini keşfettiler. Fizikçilere göre, bunu ancak kitleleri varsa yapabilmelidirler.
Ama ne kadar kütle? Bu, parçacık fizikçilerini canlandıran bir soru. Ve bu soruya cevap vermek, KATRIN'deki bilim adamlarını neyin harekete geçirdiğinin bir parçası (Karlsruhe Tritium Neutrino Deneyi.)
“KATRIN işbirliğiyle elde edilen bu bulgular nötrino için önceki kütle aralığını iki kat azaltmaktadır…”
HAMISH ROBERTSON, KATRIN BİLİMCİSİ VE WASHINGTON ÜNİVERSİTESİNDE FİZİK PROFESÖRÜ EMERİTESİ.
Bir araştırmacı ekibi bunun cevabının bir parçasını buldu: nötrino kütlesi 1.1 elektron volttan (eV) daha büyük olamaz. Bu, bir nötrino kütlesinin üst sınırının yaklaşık 1 eV azalmasıdır; 2 eV'den 1,1 eV'ye. Daha düşük kütle sınırını 0.02 eV'ye ayarlayan önceki deneylere dayanarak, bu araştırmacılar nötrino kütlesi için yeni bir aralık oluşturdular. Bir nötrino'nun bir elektron kütlesinin 1 / 500.000'inden daha azına sahip olduğunu gösterir. Bu, Standart Modelin geliştirilmesinde önemli bir adımdır.
“Nötrino kütlesini bilmek bilim insanlarının kozmoloji, astrofizik ve parçacık fiziği ile ilgili temel soruları cevaplamalarına izin verecektir…”
Washington Üniversitesi'nde KATRIN bilim adamı ve fizik profesörü olan Hamish Robertson.
Bu çalışmanın arkasındaki araştırmacılar, dünyadaki 20 farklı araştırma kurumundan geliyor. Almanya'daki Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nde KATRIN ile çalışıyorlar. KATRIN tesisi, elektron enerjilerini büyük bir hassasiyetle ölçmesini sağlayan 10 metre yüksek çözünürlüklü bir spektrometreye sahiptir.
KATRIN ekibi, sonuçlarını 13 Eylül'de Japonya'nın Toyama kentinde düzenlenen Astroparçacık ve Yeraltı Fiziği 2019 Konuları konferansında sundu.
KATRIN bilim insanı ve fizik profesörü olan Hamish Robertson, “Nötrino kütlesini bilmek, bilim insanlarının kozmoloji, astrofizik ve parçacık fiziği gibi, evrenin nasıl evrimleştiği veya hangi Fizik'in Standart Modelin ötesinde var olduğu gibi temel soruları cevaplamasına izin verecektir” dedi. Washington Üniversitesi'nde. “KATRIN işbirliğiyle elde edilen bu bulgular, nötrino için önceki kütle aralığını iki kat azaltıyor, nötrino kütlesinin gerçekte ne olduğuna daha sıkı kriterler koyuyor ve değerini kesin olarak ölçmek için ileriye doğru bir yol sağlıyor.”
Nötrinoları tespit etmelerine rağmen bolca tespit etmek zordur. Sadece fotonlar daha fazladır. İsimlerinin dediği gibi, elektriksel olarak nötrdürler. Bu onları tespit etmeyi son derece zorlaştırır. Antarktika buzunun derinliklerinde ve ayrıca terk edilmiş madenlerin derinliklerinde batmış nötrino gözlemevleri vardır. Nötrinoları etkileşime ikna etmek için genellikle ağır su kullanırlar. Bir nötrino etkileşime girdiğinde, ölçülebilen Cherenkov radyasyonu üretir.
Robertson, “Güneş sistemini Pluto yörüngesinin elli katına kadar kurşun ile doldurduysanız, güneş tarafından yayılan nötrinoların yaklaşık yarısı güneş sisteminden yine de bu kurşunla etkileşime girmeden ayrılır” dedi.
Nötrino'nun tarihi zamanla KATRIN gibi deneylerle gelişti. Başlangıçta, Standart Model nötrinoların kütlesinin olmayacağını tahmin ediyordu. Fakat 2001'de iki farklı dedektör kütlelerinin sıfır olmadığını gösterdi. 2015 Nobel Fizik Ödülü, nötrinoların türler arasında salınabileceğini ve kütlelerinin olduğunu gösteren iki bilim adamına verildi.
KATRIN tesisi dolaylı olarak nötrino kütlesini ölçer. Yüksek derecede radyoaktif bir hidrojen formu olan trityum çürümesini izleyerek çalışır. Trityum izotop bozulurken, bir çift parçacık yayar: bir elektron ve bir anti-nötrino. Birlikte 18.560 eV enerjiyi paylaşıyorlar.
Çoğu durumda, parçacık çifti 18.560 eV'yi eşit olarak paylaşır. Ancak nadir durumlarda, elektron enerjinin çoğunu barındırır ve nötrinoyu çok az bırakır. Bu nadir örnekler, bilim adamlarının odaklandığı şeydir.
E = mC2 nedeniyle, bu nadir durumlarda nötrino için kalan az miktarda enerji de kütlesine eşit olmalıdır. KATRIN elektronu doğru bir şekilde ölçme gücüne sahip olduğundan, nötrino kütlesini de belirleyebilir.
Washington Üniversitesi'nden KATRIN üzerinde çalışan bir fizik profesörü olan Peter Doe, “Nötrino kütlesini çözmek bizi yeni bir Standart Model yaratmak için cesur yeni bir dünyaya götürür” dedi.
Doe'nin bahsettiği bu yeni Standart Model, Evrendeki maddenin çoğunu oluşturan karanlık maddeyi hesaba katma potansiyeline sahip olabilir. KATRIN gibi çabalar bir gün steril nötrino adı verilen dördüncü tip başka bir nötrino tespit edebilir. Şimdiye kadar bu dördüncü tip sadece varsayımdır, ancak karanlık madde için bir adaydır.
“Nötrino garip küçük parçacıklar,” dedi Doe. “Çok yaygınlar ve bu değeri belirlediğimizde öğrenebileceğimiz çok şey var.”
Nötrinoların kütlesi olduğunu göstermek ve bu kütlenin aralığını sınırlamak her ikisi de önemlidir. Ancak parçacık fizikçileri hala kütlelerini nasıl kazandıklarını bilmiyorlar. Muhtemelen diğer parçacıkların kendilerine nasıl kazandığından farklıdır.
KATRIN'den bunun gibi sonuçlar Standart Modelde ve Evren hakkındaki genel anlayışımızda bir delik açmaya yardımcı oluyor. Evren, Büyük Patlama'dan gelen eski nötrinolarla doludur ve nötrino kütlesindeki her ilerleme, Evrenin nasıl oluştuğunu ve geliştiğini anlamamıza yardımcı olur.
Daha:
- Basın Bülteni: KATRIN zor nötrino için kitle tahminini yarıya indirdi
- Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü: KATRIN
- CERN: Standart Model
- Simetri Dergisi: Standart Modelin Açıklayamadığı Beş Gizem
- MIT News: 3Q: Bilim adamları nötrino kütlesinin tahminlerini yarıya indirdi
