Μίκρυνε το μέγιστο όριο στη μάζα των νετρίνων

Σύμφωνα με το πείραμα KATRIN η μάζα ενός νετρίνου είναι μικρότερη από 0,85 ηλεκτρονιοβόλτ (eV)

Τα νετρίνα είναι ηλεκτρικά ουδέτερα σωματίδια με πολύ μικρή μάζα και ανήκουν στην κατηγορία των λεπτονίων. Νετρίνα, εκτός από το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων της Μεγάλης Έκρηξης, δημιουργούνται συνεχώς διαμέσου των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό άστρων όπως ο ήλιος, κατά την έκρηξη των σουπερνόβα, στις αντιδράσεις των πυρηνικών εργοστασίων και κατά τη διάρκεια των φυσικών ραδιενεργών διασπάσεων. Στο εσωτερικό του σώματός μας σε κάθε δευτερόλεπτο απελευθερώνονται περίπου 5000 νετρίνα εξαιτίας των ραδιενεργών διασπάσεων του καλίου. Τα νετρίνα καταλαμβάνουν τη δεύτερη θέση, όσον αφορά τον αριθμό σωματιδίων σε ολόκληρο το σύμπαν, μετά τα σωματίδια του φωτός τα φωτόνια, που καταλαμβάνουν την πρώτη θέση. Αλληλεπιδρούν με την ύλη πολύ σπάνια, μόνο διαμέσου των ασθενών δυνάμεων και για τον λόγο αυτό μπορούν να διασχίσουν ανεπηρέαστα ανθρώπους, τοίχους, ακόμη και πλανήτες ολόκληρους. Γι αυτό η ανίχνευσή τους είναι πολύ δύσκολη.

Το σύμπαν είναι γεμάτο από νετρίνα, αλλά παρά την αφθονία τους οι φυσικοί εξακολουθούν να γνωρίζουν ελάχιστα για αυτά τα σωματίδια που αλληλεπιδρούν ασθενέστατα με την ύλη και επομένως είναι δύσκολο να εντοπιστούν και να μελετηθούν.

Το σίγουρο είναι ότι τα νετρίνα έχουν μάζα. Τούτο προκύπτει από την ανακάλυψη των ταλαντώσεών τους το 1998 – μια αλλαγή της «γεύσης» τους, που είναι δυνατή μόνο εφόσον η μάζα τους δεν είναι μηδενική. Αλλά ακόμη και η μάζα, το βασικότερο χαρακτηριστικό τους, παραμένει άγνωστη. Το μόνο που μπορεί προς το παρόν να εκτιμηθεί είναι το όριο κάτω από το οποίο βρίσκεται η πολύ μικρή μάζα των νετρίνων.

Το πείραμα Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) στη Γερμανία διαπίστωσε ότι η μάζα των νετρίνων είναι μικρότερη από 0,85 ηλεκτρονιοβόλτ (eV). Σε σχολικές μονάδες μέτρησης η μάζα αυτή αντιστοιχεί σε ≈1,5·10–36 χιλιόγραμμα (kg). H τιμή αυτή είναι κατά 25% μικρότερη σε σχέση με την προηγούμενη εκτίμηση του μέγιστου ορίου που ήταν 1,1 ηλεκτρονιοβόλτ (eV) ή περίπου 2·10–36 χιλιόγραμμα (kg).

Οι φυσικοί του KATRIN θα είναι σύντομα σε θέση να ελέγξουν πολύ χαμηλότερες πιθανές τιμές μάζας, όχι πολύ μακριά από αυτές που προτείνουν οι κοσμολογικές παρατηρήσεις, σύμφωνα με τις οποίες η μάζα των νετρίνων είναι μικρότερη από 0,6 eV.

Η μάζα των νετρίνων παίζει σημαντικό ρόλο στην κοσμολογία της Μεγάλης ‘Εκρηξης και την εξέλιξη του σύμπαντος. Μαζί με το κοσμικό υπόβαθρο της μικροκυματικής ακτινοβολίας υπάρχει και το κοσμικό υπόβαθρο νετρίνων, που συνίσταται από τα νετρίνα που περίσσεψαν από την Μεγάλη Έκρηξη και κυκλοφορούν μέχρι σήμερα ανάμεσά μας. Το αρχέγονο σύμπαν περιείχε ηλεκτρόνια, ποζιτρόνια, φωτόνια και νετρίνα σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.  Ένα δευτερόλεπτο μετά την Μεγάλη Έκρηξη, πραγματοποιήθηκε η αποδέσμευση των νετρίνων από την ύλη καθώς στο σύμπαν βίωνε την λεγόμενη εποχή της ακτινοβολίας, όταν η θερμοκρασία του ήταν 1010Kelvin (που ισοδυναμεί με ενέργεια περίπου 1 MeV). Σήμερα εξαιτίας της διαστολής και της αντίστοιχης ψύξης του σύμπαντος η θερμοκρασία στην οποία αντιστοιχούν τα αρχέγονα νετρίνα είναι περίπου 1,95 Kelvin και η μέση πυκνότητά τους είναι 340 νετρίνα ανά κυβικό εκατοστό ή 56 νετρίνα του ηλεκτρονίου ανά κυβικό εκατοστό. Η πειραματική ανακάλυψη του κοσμικού υποβάθρου των νετρίνων θα είναι ένα από τα σημαντικότερα επιστημονικά επιτεύγματα στην ιστορία της επιστήμης. Η μάζα των νετρίνων υπεισέρχεται στα κοσμολογικά μοντέλα ως παράμετρος και έτσι προκύπτει η θεωρητική κοσμολογική εκτίμηση του άνω ορίου των 0,6 eV.

Η μέτρηση της μάζας του νετρίνου δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η τωρινή μέθοδος μέτρησης προέρχεται από μια πρόταση του 1934 του Enrico Fermi που εκμεταλλεύεται την ραδιενεργή διαδικασία που ονομάζεται πυρηνική διάσπαση βήτα. Σε αυτή τη διάσπαση (συγκεκριμένα στην β) ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο, απελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο και έναν τύπο νετρίνου που ονομάζεται αντινετρίνο: n \rightarrow p + e^{-} + \bar{\nu} . Αν το νετρίνο έχει μάζα, θα λάβει μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη διάσπαση, περιορίζοντας τη μέγιστη ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου.

Αυτό το φαινόμενο θα πρέπει να επιδρά την ουρά της υψηλής ενέργειας του φάσματος ηλεκτρονίων, δίνοντας έτσι έναν τρόπο προσδιορισμού της μάζας των νετρίνων.

Στο πείραμα KATRIN χρησιμοποιούνται: μια ισχυρή πηγή ραδιενέργειας βήτα από το ισότοπο του υδρογόνου τρίτιο (^{3}H \longrightarrow \, ^{3}He + e^{-} + \bar{\nu}_{e}), ένα γιγάντιο φασματόμετρο σε σχήμα αερόπλοιου με εξαιρετική ανάλυση της ενέργειας ηλεκτρονίων και οι κατάλληλες ρυθμίσεις για την μείωση των ανεπιθύμητων γεγονότων υποβάθρου.

Καλλιτεχνική αναπαράσταση του πειράματος KATRIN. Τα ισότοπα τριτίου υφίστανται βήτα διάσπαση και εκπέμποντας ηλεκτρόνια και νετρίνα. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια μεταφέρονται σε ένα τεράστιο φασματόμετρο που καταγράφει το ενεργειακό τους φάσμα. Το σχήμα αυτού του φάσματος εξαρτάται από τη μάζα των νετρίνων

Η μείωση του άνω ορίου από 1eV σε 0,8eV μπορεί να ακούγεται μικρή, αλλά στην πραγματικότητα είναι εντυπωσιακό κατόρθωμα αφού οι φυσικοί του KATRIN μείωσαν τα στατιστικά σφάλματα κατά 3 φορές – κάτι που ισοδυναμεί με την λήψη 9 φορές περισσότερων δεδομένων- και τα συστηματικά σφάλαματα κατά 2. Κι αυτή η βελτίωση είναι η μεγάλη είδηση. Το ζητούμενο είναι να βελτιωθεί κι άλλο αυτό το περίπλοκο πείραμα,μέχρι τον τελικό στόχο του – την επίτευξη ευαισθησίας μάζας έως τα 0,2 eV μέχρι το 2024.

Ποιά είναι λοιπόν η μάζα των νετρίνων; Οι θεωρητικοί φυσικοί υποψιάζονται ότι το νετρίνο έχει μάζα λίγο μικρότερη από 0,2 eV, αλλά ο τελευταίος λόγος ανήκει πάντα στους πειραματικούς.

πηγή: https://physics.aps.org/articles/v15/25https://arxiv.org/abs/2202.04587



Κατηγορίες:ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ, ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΗ ΣΩΜΑΤΙΑ, ΣΥΜΠΑΝ

Ετικέτες: , , ,

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: