Büyük, elektron sayma makinesi dolaylı olarak fizikte bilinen en kaygan parçacığın ölçümünü ortaya çıkardı ve karanlık madde kanıtlarına eklendi.
Bu ölçüm, evrenimizi dolduran ve yapısını belirleyen ancak neredeyse hiç tespit edemediğimiz nötrinoların kütlesini ölçmek için uluslararası bir çabanın ilk sonucudur. Alman merkezli Karlsruhe Tritium Neutrino denemesine (KATRIN) göre nötrinos, elektron kütlesinin% 0.0002'sinden fazlasını içermez. Bu sayı o kadar düşük ki evrendeki tüm nötrinoları konuşsak bile eksik kütlesini açıklayamadılar. Ve bu gerçek, karanlık maddenin varlığına dair kanıt yığınına katkıda bulunur.
KATRIN temelde, radyoaktif bir hidrojen formu olan trityum örneğinden çıkan süper yüksek enerjili elektronları saymak için çok büyük bir makinedir. her atomda bir proton ve iki nötron ile. Trityum kararsızdır ve nötronları elektron-nötrino çiftlerine bozunur. KATRIN, nötrinoları değil elektronları arar, çünkü nötrinolar tam olarak ölçülemeyecek kadar zayıftır. Washington Üniversitesi'nde bir KATRIN bilim adamı ve profesör emeritus olan Hamish Robertson'a göre makine trityum gazı kullanıyor, çünkü iyi bir kütle ölçümü alabilecek kadar basit olan tek elektron-nötrino kaynağı.
Nötrinoların kendi başlarına kesin olarak ölçüm yapmaları neredeyse imkansızdır çünkü çok az kütleye sahiptirler ve onlarla etkileşime girmeden dedektörleri atlama eğilimindedirler. Robertson, nötrinoların kütlesini bulmak için Live Science'a verdiği demeçte, KATRIN en enerjik elektronları sayar ve nötrino kütlesini çıkarmak için bu sayıdan geriye doğru çalışır. KATRIN'in ilk sonuçları açıklandı ve araştırmacılar erken bir sonuca vardı: Nötrinoların kütlesi 1,1 elektron volttan (eV) yüksek değil.
Elektron voltları, evrendeki en küçük şeylerden bahsederken kullanılan kitle ve enerji fizikçileri birimidir. (Temel parçacık ölçeğinde, enerji ve kütle aynı birimler kullanılarak ölçülür ve nötrino-elektron çiftleri, kaynak nötronlarına eşdeğer birleşik enerji seviyelerine sahip olmalıdır.) Kütlelerine diğer parçacıkları ödünç veren Higgs bozonu, 125 milyar EV kütle. Atomların merkezindeki parçacıklar olan protonların kütlesi yaklaşık 938 milyon eV'dir. Elektronlar sadece 510.000 eV'dir. Bu deney nötrinoların inanılmaz derecede küçük olduğunu doğrular.
Robertson, KATRIN çok büyük bir makine, ancak yöntemlerinin basit olduğunu söyledi. Cihazın ilk odası, nötronları doğal olarak elektronlara ve nötrinolara bozunan gazlı trityum ile doludur. Bir nötron bozulduğunda fizikçiler ne kadar enerjinin dahil olduğunu zaten biliyorlar. Enerjinin bir kısmı nötrino kütlesine ve elektron kütlesine dönüştürülür. Ve geri kalanı yeni oluşturulan parçacıklara dökülür, kabaca ne kadar hızlı gittiklerini çok dikte eder. Genellikle, bu ekstra enerji elektron ve nötrino arasında eşit olarak dağılır. Ancak bazen kalan enerjinin çoğu veya tamamı bir parçacığa veya diğerine dökülür.
Bu durumda, nötrino ve elektron oluştuktan sonra kalan enerjinin tamamı elektron partnerine atılır ve süper yüksek enerjili bir elektron oluşturulur. Bu, nötrino kütlesinin hesaplanabileceği anlamına gelir: Nötron çürümesinde yer alan enerji, elektronun kütlesi ve deneydeki elektronların maksimum enerji seviyesi.
Deneyi tasarlayan fizikçiler nötrinoları ölçmeye çalışmadılar; makineden el değmeden kaçmasına izin verilir. Bunun yerine, deney elektronları spektrometre adı verilen dev bir vakum odasına huniler. Bir elektrik akımı daha sonra sadece en yüksek enerjili elektronların geçebileceği çok güçlü bir manyetik alan oluşturur. O haznenin diğer ucunda, alandan kaç elektron aldığını sayan bir cihaz vardır. KATRIN manyetik alan kuvvetini yavaşça artırdıkça Robertson, neredeyse elektriğin sıfıra kadar kaybolacağı gibi küçülen elektron sayısının azaldığını söyledi. Ancak bu elektron enerji seviyeleri spektrumunun sonunda bir şey olur.
Robertson, "Son noktaya gelmeden önce spektrum aniden ölür, çünkü nötrino kütlesi elektron tarafından çalınamaz. Her zaman nötrinolar için geride bırakılmalıdır." Dedi Robertson. Nötrino kütlesi, spektrumun sonundan eksik olan küçük enerji miktarından daha az olmalıdır. Ve birkaç haftalık çalışma süresinden sonra, deneyciler bu sayıyı fizikçilerin önceden bildiği sayının yarısına kadar daralttı.
Nötrinoların kütlesel olduğu fikri devrimcidir; Robertson, atom altı dünyayı tanımlayan temel fizik teorisi olan Standart Model'in bir zamanlar nötrinoların kütlesinin hiç olmadığı konusunda ısrar etti. 1980'lere gelindiğinde, Rus ve Amerikalı araştırmacılar nötrino kütlelerini ölçmeye çalışıyordu, ancak sonuçları sorunlu ve kesin değildi. Bir noktada, Rus araştırmacılar nötrino kütlesini tam olarak 30 eV'de sabitlediler - nötrinoları evrenin büyük kütleçekimsel yapısını açıklayacak ve eksik olan tüm kütleyi dolduracak olan kayıp halka olarak ortaya çıkaracak güzel bir sayı - ama bir yanlış olduğu ortaya çıktı.
Robertson ve meslektaşları ilk önce gazlı trityum ile çalışmaya başladılar, sonra hafifçe radyoaktif maddenin bilime sunulan en kesin nötron çürümesi kaynağını sunduğunu fark ettikten sonra.
"Bu uzun bir araştırma," dedi Robertson. "30 eV'nin Rus ölçümü çok heyecan vericiydi çünkü evreni kütleçekimsel olarak kapatacaktı. Ve bu nedenle hala heyecan verici. Nötrinolar kozmolojide büyük rol oynuyor ve muhtemelen evrenin büyük ölçekli yapısını şekillendirdiler."
Etrafında uçan bu hafif parçacıklar, yerçekimleriyle diğer her şeyi çeker ve diğer tüm maddelerden enerji alır ve verir. Kütle sayısı azalırken, Robertson, bu küçük parçacıkların oynadığı kesin rolün daha karmaşık hale geldiğini söyledi.
Araştırmacı, 1.1 eV sayısının ilginç olduğunu, çünkü evrenin geri kalanının yapısını kendi başına açıklayacak kadar yüksek olmayan deneysel olarak türetilen ilk nötrino kütle numarası olduğunu söyledi.
“Bu henüz bilmediğimiz bir şey değil. Bu karanlık madde var” dedi ve bildiğimiz nötrinolardan yapılamaz.
Yani Almanya'daki büyük bir vakum odasından gelen bu küçük sayı en azından evrenin fiziğin hala anlamadığı unsurlara sahip olduğuna dair kanıt yığınına katkıda bulunuyor.
