Standardmodellen för partikelfysik är en av vetenskapens mest imponerande feats. Det är en rigorös, exakt ansträngning att förstå och beskriva tre av de fyra grundläggande krafterna i universum: den elektromagnetiska kraften, den starka kärnkraften och den svaga kärnkraften. Tyngdkraften är frånvarande eftersom det hittills har varit oerhört utmanande att anpassa den till standardmodellen.
Men det finns några hål i standardmodellen, och ett av dem involverar neutrinoens massa.
Förekomsten av neutrino föreslogs först 1930, sedan upptäcktes 1956. Sedan dess har fysiker lärt sig att det finns tre typer av neutrino, och de är rikliga och svårfångade. Endast specialanläggningar kan upptäcka dem eftersom de sällan interagerar med annan materia. Det finns flera källor för dem, och några av dem har glidit genom rymden sedan Big Bang, men de flesta neutrinoerna nära Jorden kommer från solen.
Standardmodellen förutspår att neutrinoer inte har någon massa, som fotoner. Men fysiker har funnit att de tre typerna av neutrino kan förvandlas till varandra när de rör sig. Enligt fysiker borde de bara kunna göra det om de har massa.
Men hur mycket massa? Det är en fråga som har tagit partikelfysiker. Och att besvara den frågan är en del av det som driver forskare vid KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Dessa resultat från KATRIN-samarbetet minskar det tidigare massområdet för neutrino med en faktor på två ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN SCIENTIST AND PROFESSOR EMERITUS OF PHYSICS UNIVERSITY OF WASHINGTON.
Ett team av forskare har kommit med en del av ett svar på det: massan för neutrino kan inte vara större än 1,1 elektronvolt (eV.) Detta är en minskning av den övre gränsen för en neutrinos massa med nästan 1 eV; från 2 eV ner till 1,1 eV. Genom att bygga på tidigare experiment som sätter den nedre massgränsen till 0,02 eV har dessa forskare satt ett nytt intervall för neutrinos massa. Det visar att en neutrino har mindre än 1/500 000: e massan hos en elektron. Detta är ett viktigt steg i utvecklingen av standardmodellen.
"Att känna till neutrinoens massa gör att forskare kan svara på grundläggande frågor inom kosmologi, astrofysik och partikelfysik ..."
Hamish Robertson, KATRIN-forskare och professor emeritus i fysik vid University of Washington.
Forskarna bakom detta arbete kommer från 20 olika forskningsinstitutioner runt om i världen. De arbetar med KATRIN på Karlsruhe Tekniska Högskola i Tyskland. KATRIN-anläggningen har en 10 meter högupplöst spektrometer som gör det möjligt att mäta elektronenergier med stor precision.
KATRIN-teamet presenterade sina resultat vid konferensen Theme in Astroparticle and Underground Physics i Toyama, Japan, den 13 september.
"Att känna till neutrinoens massa kommer att göra det möjligt för forskare att svara på grundläggande frågor inom kosmologi, astrofysik och partikelfysik, till exempel hur universum utvecklats eller vilken fysik som finns utanför standardmodellen," säger Hamish Robertson, en KATRIN-forskare och professor emeritus i fysik vid University of Washington. "Dessa fynd från KATRIN-samarbetet minskar det tidigare massområdet för neutrino med en faktor av två, lägger strängare kriterier på vad neutrinos massa faktiskt är och ger en väg framåt för att mäta dess värde definitivt."
Neutrino är notoriskt svårt att upptäcka, även om de är överflödiga. Endast fotoner är mer omfattande. Som namnet säger är de elektriskt neutrala. Det gör det mycket svårt att upptäcka dem. Det finns neutrinoobservatorier som sjönk djupt i den antarktiska isen, och också djupt i övergivna gruvor. De använder ofta tungt vatten för att locka neutrinoerna att interagera. När en neutrino interagerar producerar den Cherenkov-strålning som kan mätas.
"Om du fyllde solsystemet med bly ut femtio gånger bortom Plutos bana, skulle ungefär hälften av de neutriner som solen släpper ut fortfarande lämna solsystemet utan att interagera med det blyet," sade Robertson.
Neutrinoens historia har utvecklats över tid med experiment som KATRIN. Ursprungligen förutspådde standardmodellen att neutrinoer inte skulle ha någon massa. Men 2001 visade två olika detektorer att deras massa är icke-noll. Nobelpriset i fysik 2015 delades ut till två forskare som visade att neutrinoer kan svänga mellan olika typer och visa att de har massa.
KATRIN-anläggningen mäter massan av neutriner indirekt. Det fungerar genom att övervaka sönderfallet av tritium, som är en mycket radioaktiv form av väte. När tritiumisotopen sönderfaller avger den par av partiklar: en elektron och en anti-neutrino. Tillsammans delar de 18 560 eV energi.
I de flesta fall delar paret par 18,560 eV lika. Men i sällsynta fall sväller elektronen det mesta av energin och lämnar mycket neutrino. Dessa sällsynta fall är vad forskarna fokuserar på.
På grund av E = mC2 måste den lilla mängden energi som finns kvar för neutrino i dessa sällsynta fall också vara lika stor som dess massa. Eftersom KATRIN har kraften att mäta elektronn exakt kan den också bestämma neutrinoens massa.
"Att lösa mängden neutrino skulle leda oss in i en modig ny värld med att skapa en ny standardmodell," sade Peter Doe, en forskarprofessor i fysik från University of Washington som arbetar på KATRIN.
Denna nya standardmodell som Doe nämner kan ha potential att redogöra för mörk materia, som utgör det mesta av saken i universum. Insatser som KATRIN kan en dag upptäcka en annan, fjärde typ av neutrino, kallad steril neutrino. Hittills är denna fjärde typ bara antagande, men den är en kandidat för mörk materia.
"Neutrino är konstiga små partiklar," sade Doe. "De är så allestädes närvarande, och det finns så mycket vi kan lära oss när vi bestämmer detta värde."
Att visa att neutrino har massa, och att begränsa räckvidden för den massan, är båda viktiga. Men partikelfysiker vet fortfarande inte hur de får sin massa. Det är förmodligen annorlunda än hur andra partiklar får deras.
Resultat som detta från KATRIN hjälper till att stänga ett hål i standardmodellen och i vår övergripande förståelse av universum. Universum är fullt av gamla neutrinoer från Big Bang, och varje framsteg i neutrino-massan hjälper oss att förstå hur universum bildades och utvecklades.
Mer:
- Pressmeddelande: KATRIN sänker massuppskattningen för den svårfångande neutrinoen i halva
- Karlsruhe Tekniska Högskola: KATRIN
- CERN: Standardmodellen
- Symmetry Magazine: Fem mysterier som standardmodellen inte kan förklara
- MIT-nyheter: 3Q: Forskare rakar uppskattningen av neutrinos massa i hälften
