En stor, elektronräknande maskin har indirekt visat upp en mätning av den smalaste kända partikeln i fysiken - och lagt till bevisen för mörk materia.
Den mätningen är det första resultatet från en internationell ansträngning för att mäta massan av neutrino - partiklar som fyller vårt universum och bestämmer dess struktur, men som vi knappt kan upptäcka alls. Enligt det tyskbaserade Karlsruhe Tritium Neutrino-experimentet (KATRIN) har Neutrinos högst 0,0002% massan av en elektron. Detta antal är så lågt att även om vi samlade alla neutrinoerna i universum, kunde de inte förklara dess saknade massa. Och detta faktum lägger till högen med bevis för mörk materiens existens.
KATRIN är i grunden en mycket stor maskin för att räkna de superhögenergi-elektroner som spricker ur ett tritiumprov - en radioaktiv väteform. med en proton och två neutroner i varje atom. Tritium är instabil och dess neutroner sönderfaller till elektronneutrino-par. KATRIN letar efter elektronerna och inte neutrinoerna eftersom neutrinoerna är för svaga för att mäta exakt. Och maskinen använder tritiumgas, enligt Hamish Robertson, en KATRIN-forskare och professor emeritus vid University of Washington, eftersom det är den enda elektron-neutrinkällan som är enkel nog att få en bra massmätning från.
Neutrino är mer eller mindre omöjligt att exakt mäta på egen hand eftersom de har så liten massa och tenderar att hoppa ur detektorer utan att interagera med dem. Så för att räkna ut neutrinos massa, berättade Robertson till Live Science, räknar KATRIN de mest energiska elektronerna och arbetar bakåt från det numret för att härleda neutrinoens massa. De första resultaten från KATRIN har tillkännagivits och forskarna kom till en tidig slutsats: Neutrino har en massa som inte är högre än 1,1 elektronvolt (eV).
Elektron volt är enheterna för massa och energi som fysiker använder när de pratar om de minsta sakerna i universum. (I skala av grundpartikeln mäts energi och massa med samma enheter, och neutrino-elektronpar måste ha kombinerade energinivåer motsvarande deras källneutron.) Higgs boson, som ger andra partiklar deras massa, har en 125 miljarder EV. Protoner, partiklarna i mitten av atomer, har massor av cirka 938 miljoner eV. Elektroner är bara 510 000 eV. Detta experiment bekräftar att neutrinoer är oerhört små.
KATRIN är en mycket stor maskin, men dess metoder är enkla, sade Robertson. Enhetens första kammare är full av gasformigt tritium, vars neutroner naturligt sönderfaller till elektroner och neutriner. Fysiker vet redan hur mycket energi som är involverat när en neutron sönderfaller. En del av energin omvandlas till neutrino-massan och elektronens massa. Och resten hälls i de nyligen skapade partiklarna, vilket mycket grovt dikterar hur snabbt de går. Vanligtvis distribueras den extra energin ganska jämnt mellan elektron och neutrino. Men ibland dumpas de flesta eller hela den återstående energin i en eller annan partikel.
I så fall dumpas all energi som finns kvar efter att neutrino och elektron bildats i elektronpartnern och bildar en superenergi-elektron, sade Robertson. Det betyder att neutrino-massan kan beräknas: Det är den energi som är involverad i neutronförfallet minus elektronens massa och den maximala energinivån för elektroner i experimentet.
Fysikerna som designade experimentet försökte inte mäta neutrinoerna; de får undvika maskinen orörda. Istället tränar experimentet elektronerna i en jättevakuumkammare, kallad spektrometern. En elektrisk ström skapar då ett mycket starkt magnetfält som bara elektroner med hög energi kan passera genom. I den andra änden av kammaren finns en anordning som räknar hur många elektroner som gör det genom fältet. När KATRIN långsamt ökar styrkan i magnetfältet, sade Robertson, antalet elektroner som kommer igenom krymper - nästan som om det skulle tona hela vägen till noll. Men i slutet av det spektrumet av elektronenerginivåer händer något.
"Spektrumet dör plötsligt innan du når slutpunkten, eftersom neutrinoens massa inte kan stulas av elektronen. Det måste alltid lämnas kvar för neutrinoerna," sade Robertson. Neutrinoens massa måste vara mindre än den lilla mängden energi som saknas helt från spektrumets slut. Och efter flera veckors körtid minskade experterna det antalet till ungefär hälften av antalet fysiker som tidigare visste om.
Tanken att neutrinoer har massa alls är revolutionerande; Standardmodellen, den grundläggande fysikteorin som beskriver den subatomära världen, en gång insisterade neutrinoer har ingen massa alls, påpekade Robertson. Så långt tillbaka som på 1980-talet försökte ryska och amerikanska forskare att mäta neutrino-massor, men deras resultat var problematiska och opräknade. Vid en tidpunkt fixade ryska forskare massan av neutrino vid exakt 30 eV - ett trevligt antal som skulle ha avslöjat neutrino som den saknade länken som skulle ha förklarat den stora gravitationsstrukturen i universum och fyllt i all den saknade massan - men en det visade sig vara fel.
Robertson och hans kollegor började först arbeta med gasformigt tritium då, efter att de insåg att det svagt radioaktiva ämnet erbjöd den mest exakta källan till neutronförfall tillgängligt för vetenskapen.
"Detta har varit en lång sökning," sade Robertson. "Den ryska mätningen av 30 eV var väldigt spännande eftersom den skulle ha stängt universumet gravitationsmässigt. Och det är fortfarande spännande av det skälet. Neutrinoer spelar en stor roll i kosmologin, och de har förmodligen format universumets stora skala."
Alla de svaga partiklarna som flyger runt drar på allt annat med sin tyngdkraft och tar och lånar ut energi från allt annat ämne. Även om massantalet blir vittigt, sade Robertson, blir den exakta rollen som dessa små partiklar spelar mer komplicerad.
1.1 eV-numret, säger forskaren, är intressant eftersom det är det första experimentellt härledda neutrino-massantalet som inte är tillräckligt högt för att förklara strukturen i resten av universum på egen hand.
"Det är ämne som inte är någonting vi vet om ännu. Det finns denna mörka fråga," och det kan inte göras av neutrinoerna som vi vet om, sa han.
Så detta lilla antal från en stor vakuumkammare i Tyskland tillför i det minsta till höjden av bevis för att universum har element som fysiken fortfarande inte förstår.
