Neutrino's zijn er in drie smaken, bestaande uit een mix van drie neutrino-massa's. Hoewel de verschillen tussen de massa's bekend zijn, er was tot nu toe weinig informatie beschikbaar over de massa van de lichtste soorten.

Het is belangrijk om neutrino's en de processen waardoor ze hun massa verkrijgen beter te begrijpen, omdat ze geheimen over astrofysica kunnen onthullen, inclusief hoe het universum bij elkaar wordt gehouden, waarom het uitdijt en waar donkere materie van gemaakt is.

eerste auteur, Dr. Arthur Loureiro (UCL Natuur- en Sterrenkunde), zei:"Elke seconde vliegen er honderd miljard neutrino's door je duim vanaf de zon, zelfs 's nachts. Dit zijn zeer zwak interactieve geesten waar we weinig over weten. Wat we wel weten is dat als ze bewegen, ze kunnen wisselen tussen hun drie smaken, en dit kan alleen gebeuren als ten minste twee van hun massa's niet nul zijn."

"De drie smaken zijn te vergelijken met ijs waarbij je één bolletje aardbei hebt, chocolade en vanille. Drie smaken zijn altijd aanwezig maar in verschillende verhoudingen, en de veranderende verhouding - en het vreemde gedrag van het deeltje - kan alleen worden verklaard door neutrino's met een massa."

Het concept dat neutrino's massa hebben, is relatief nieuw met de ontdekking in 1998 die professor Takaaki Kajita en professor Arthur B. McDonald de 2015 Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde. Toch, het standaardmodel dat door de moderne natuurkunde wordt gebruikt, moet nog worden bijgewerkt om neutrino's een massa toe te kennen.

De studie, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven door onderzoekers van de UCL, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Institut d'Astrophysique de Paris en Universidade de Sao Paulo, stelt voor het eerst een bovengrens voor de massa van het lichtste neutrino. Het deeltje zou technisch gezien geen massa kunnen hebben, aangezien een ondergrens nog moet worden bepaald.

Het team gebruikte een innovatieve benadering om de massa van neutrino's te berekenen door gebruik te maken van gegevens die zijn verzameld door zowel kosmologen als deeltjesfysici. Dit omvatte het gebruik van gegevens van 1,1 miljoen sterrenstelsels van de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten, en beperkingen van experimenten met deeltjesversnellers.

"We gebruikten informatie uit verschillende bronnen, waaronder telescopen in de ruimte en op de grond die het eerste licht van het heelal observeerden (de kosmische achtergrondstraling van microgolven), exploderende sterren, de grootste 3D-kaart van sterrenstelsels in het heelal, deeltjesversnellers, kernreactor, en meer, " zei dr. Loureiro.

"Aangezien neutrino's overvloedig maar klein en ongrijpbaar zijn, we hadden alle beschikbare kennis nodig om hun massa te berekenen en onze methode zou kunnen worden toegepast op andere grote vragen die zowel kosmologen als deeltjesfysici voor raadsels stellen."

De onderzoekers gebruikten de informatie om een ​​raamwerk voor te bereiden om de massa van neutrino's wiskundig te modelleren en gebruikten UCL's supercomputer, Elegantie, om de maximaal mogelijke massa van het lichtste neutrino te berekenen als 0,086 eV (95% CI), wat overeenkomt met 1,5 x 10-37 Kg. Ze berekenden dat drie neutrino-smaken samen een bovengrens van 0,26 eV (95% CI) hebben.

tweede auteur, doctoraat student Andrei Cuceu (UCL Natuur- en Sterrenkunde), zei:"We hebben meer dan een half miljoen rekenuren gebruikt om de gegevens te verwerken; dit komt overeen met bijna 60 jaar op een enkele processor. Dit project verlegde de grenzen voor big data-analyse in de kosmologie."

Het team zegt dat het belangrijk is om te begrijpen hoe de neutrinomassa kan worden geschat voor toekomstige kosmologische studies zoals DESI en Euclid, waarbij beide teams uit de hele UCL betrokken zijn.

Het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) zal de grootschalige structuur van het universum en zijn donkere energie en donkere materie-inhoud met hoge precisie bestuderen. Euclid is een nieuwe ruimtetelescoop die wordt ontwikkeld met de European Space Agency om de geometrie van het donkere heelal en de evolutie van kosmische structuren in kaart te brengen.

Professor Ofer Lahav (UCL Natuur- en Sterrenkunde), co-auteur van de studie en voorzitter van de UK Consortiums of the Dark Energy Survey en DESI zei:"Het is indrukwekkend dat de clustering van sterrenstelsels op enorme schalen ons kan vertellen over de massa van het lichtste neutrino, een resultaat van fundamenteel belang voor de natuurkunde. Deze nieuwe studie toont aan dat we op weg zijn om de neutrinomassa's daadwerkelijk te meten met de volgende generatie grote spectroscopische sterrenstelsels, zoals DESI, Euclides en anderen."

Arthur Loureiro et al., 'On The Upper Bound of Neutrino Masses from Combined Cosmological Observations and Particle Physics Experiments' zal worden gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op donderdag 22 augustus 2019.