НАУКА

Найточніше вимірювання наближає нас до знання справжньої маси «примарної» частинки

Поширити:

Маса спокою примарних нейтрино – одна з найбільш затребуваних величин у фізиці елементарних частинок, яку вчені на крок наблизилися до точного визначення завдяки новому експерименту під керівництвом дослідників з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка в Німеччині.

Якби маса нейтрино була відома, це могло б прочинити двері до фізики, що виходить за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок, яка описує всі відомі сили та елементарні частинки у Всесвіті.

Сказати, що нейтрино дивні – це нічого не сказати. Колись припускали, що вони взагалі не мають маси, але тепер зрозуміло, що ця ледь існуюча частинка насправді є трьома типами в одному, з ідентичностями, які коливаються в дивній квантовій розмитості, коли вони пролітають крізь простір. Ця мерехтлива ідентичність передбачає масу, яка також має різні форми, розмазані по мінливій подобі нейтрино.

Будучи такими легкими і дивними, нейтрино можуть грати не за тими правилами, що інші частинки. Точне складання мазків його неймовірно малих мас може навіть допомогти підтвердити або виключити нові моделі у фізиці елементарних частинок.

Однак фізики не можуть просто зважити грона стаціонарних нейтрино, як виноград на вагах. Натомість вони можуть лише підтвердити наявність таких субатомних частинок, спостерігаючи за їхньою взаємодією з іншими частинками або вимірюючи продукти їхнього розпаду. Частинка може існувати лише найкоротшу мить, але за цей час вона залишає свій слід, за яким фізики можуть визначити її масу.

Читайте також:  Ніби планета впала на бік: вчені змогли довести, що на Землі відбувався зсув полюсів

Однак, не маючи заряду і практично не маючи гравітаційного тяжіння, нейтрино чинять на інші частинки лише найслабшу силу. Насправді, зараз через ваше тіло пролітають мільярди нейтрино, більшість з яких летять від Сонця, але вони рідко взаємодіють з нами.

Проте те, що нейтрино так мало впливають на інші субатомні частинки, не означає, що вони не є фундаментальною частиною того, з чого складається матерія. Це найпоширеніші частинки, які мають масу у Всесвіті, і знання того, що надає цим варіаціям нейтрино таку крихітну, ненульову масу спокою, може допомогти фізикам згладити або зрозуміти деякі протиріччя у Стандартній моделі, які нейтрино вносять у спосіб, у який вони коливаються.

Фізики постійно вдосконалюють свої найкращі оцінки верхніх меж індивідуальних і колективних мас нейтрино, використовуючи різні методи. Найточніше вимірювання “аромату” електронного нейтрино показало, що його маса не може бути більшою за 0,8 електронвольт. Перекладаючи це на масу відносно 1 кілограма (або 2,2 фунта), це все одно, що вага чотирьох родзинок відносно Сонця.

Останню оцінку було зроблено в лютому 2022 року в рамках Карлсруеського експерименту з дослідження тритієвих нейтрино (KATRIN) у Німеччині на основі розпилення електронів і нейтрино, що вивільняються в результаті надважкої форми розпаду водню.

Читайте також:  Мисливці за скам'янілостями простежили 200-мільйонну історію уздовж узбережжя Юрського періоду

Інший спосіб визначити масу нейтрино, хоч і незначну, – це вивчити, що відбувається, коли атомне ядро штучного ізотопу гольмію-163 поглинає електрон зі своєї внутрішньої оболонки. В результаті протон перетворюється на нейтрон, утворюється елемент диспрозій-163 і випускається нейтрино.

Фізики можуть виміряти загальну енергію, що виділяється при цьому розпаді, використовуючи своєрідний калориметр, і зробити висновок про масу “відсутнього” нейтрино, яке вилетіло в ефір, виходячи із загальної маси атома і знаменитого рівняння Ейнштейна, E = mc2, де маса і енергія еквівалентні.

Це обчислюється як так зване значення Q: різниця в енергії, яку можна перевести в масу, що “зникла” з загальної кількості атомних частинок після реакції розпаду. Ця різниця в масі інтерпретується як нейтрино.

Однак атоми золота, в які вбудований гольмій-163, можуть впливати на цю реакцію розпаду, пояснює Крістоф Швайгер, фізик з Інституту ядерної фізики імені Макса Планка і провідний автор нового дослідження.

“Тому важливо виміряти значення Q якомога точніше за допомогою альтернативного методу і порівняти його з калориметрично визначеним значенням, щоб виявити можливі систематичні джерела похибки”, – каже він.

Для цього Швейгер та його колеги поставили експеримент, який поєднував п’ять так званих пасток Пеннінга, розташованих одна над одною всередині надпровідного магніту, розміщеного у вакуумі і зануреного в рідкий гелій при температурі близько 4 градусів Кельвіна (-269,1°C або -452,5°F).

Читайте також:  Чорнобильський "парадокс дикого кабана" нарешті розгадано

PENTATRAP складається з п’яти пасток Пеннінга, розташованих одна над одною, як видно на центральній жовтій вежі. (MPI з ядерної фізики)

Всі ці зусилля допомагають захистити обладнання таким чином, щоб воно було достатньо чутливим, щоб вловлювати частинки в пастках Пеннінга і вимірювати тонкі енергетичні відмінності між зарядженими іонами гольмію-163 і диспрозію-163.

“За допомогою Airbus A-380 з максимальним навантаженням можна було б визначити, чи впала на нього хоч одна крапля води”, – каже Швейгер.

Насправді, дослідники виміряли вхідні іони гольмію-163 і результуючі іони диспрозію-163, щоб отримати значення добротності 2 863,2 ± 0,6 еВ c-2, що в 50 разів точніше, ніж у попередньому дослідженні, яке дало значення 2 833 ± 34 еВ c-2.

Використання більш точного і незалежно виміряного значення Q в поєднанні з іншими експериментальними результатами “є життєво важливим для оцінки систематичних невизначеностей у визначенні маси нейтрино”, – пишуть Швейгер і його колеги в своїй опублікованій статті.

Хоча це лише один з шматочків головоломки, підвищення точності вимірювання таких величин, як Q, можна поєднати з широким спектром підходів до розуміння того, чому дивні мерехтливі примари світу частинок поводяться саме так, як вони і є.

+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0
+1
0