Een internationaal team van wetenschappers, waaronder onderzoekers van het MIT, is dichterbij gekomen om de massa van het ongrijpbare neutrino vast te pinnen. Deze spookachtige deeltjes doordringen het universum en toch wordt gedacht dat ze bijna massaloos zijn, stromen met miljoenen door ons lichaam terwijl we nauwelijks een fysiek spoor achterlaten.

De onderzoekers hebben vastgesteld dat de massa van het neutrino niet meer dan 1 elektronvolt mag zijn. Wetenschappers schatten eerder dat de bovengrens van de massa van het neutrino ongeveer 2 elektronvolt is, dus deze nieuwe schatting verkleint het massabereik van de neutrino's met meer dan de helft.

De nieuwe schatting is bepaald op basis van gegevens van KATRIN, het Karlsruhe Tritium Neutrino-experiment, aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland, en rapporteerde vorige week op de 2019-conferentie over astrodeeltjes- en ondergrondse fysica. Het experiment zorgt ervoor dat tritiumgas vervalt, die op hun beurt neutrino's afgeven, samen met elektronen. Terwijl de neutrino's snel verdwijnen, De reeks magneten van KATRIN leidt de elektronen van tritium naar het hart van het experiment - een gigantische spectrometer van 200 ton, waar de massa en energie van de elektronen kan worden gemeten, en vanaf daar, onderzoekers kunnen de massa van de corresponderende neutrino's berekenen.

Joseph Formaggio, hoogleraar natuurkunde aan het MIT, is een vooraanstaand lid van de experimentele groep KATRIN, en sprak met MIT News over de nieuwe schatting en de weg die voor ons ligt bij het zoeken naar neutrino's.

Vraag:Het neutrino, gebaseerd op de bevindingen van KATRIN, kan niet zwaarder zijn dan 1 elektron volt. Zet deze context voor ons:Hoe licht is dit, en hoe belangrijk is het dat de maximale massa van het neutrino de helft zou kunnen zijn van wat mensen eerder dachten?

Een put, dat is een beetje een moeilijke vraag, omdat mensen (waaronder ikzelf) niet echt een intuïtief gevoel hebben van wat de massa is van een deeltje, maar laten we het proberen. Denk aan iets heel kleins, als een virus. Elk virus bestaat uit ongeveer 10 miljoen protonen. Elk proton weegt ongeveer 2, 000 keer meer dan elk elektron in dat virus. En wat onze resultaten lieten zien, is dat het neutrino een massa heeft van minder dan 1/500, 000 van een enkel elektron.

Laat ik het anders zeggen. In elke kubieke centimeter ruimte om je heen, er vliegen ongeveer 300 neutrino's door. Dit zijn overblijfselen van het vroege heelal, net na de oerknal. Als je alle neutrino's die in de zon leven bij elkaar optelt, je zou ongeveer een kilo of minder krijgen. Dus, Ja, het is klein.

Vraag:Wat ging er bij het bepalen van deze nieuwe massalimiet voor het neutrino, en wat was de rol van MIT in de zoektocht?

A:Deze nieuwe massalimiet komt van het bestuderen van het radioactieve verval van tritium, een isotoop van waterstof. Wanneer tritium vervalt, het produceert een helium-3-ion, een elektron, en een antineutrino. We zien de antineutrino eigenlijk nooit, echter; het elektron draagt ​​informatie over de massa van het neutrino. Door de energieverdeling te bestuderen van de elektronen die worden uitgestoten bij de hoogst toegestane energie, we kunnen de massa van het neutrino afleiden, dankzij de vergelijking van Einstein, E=mc ² .

Echter, het bestuderen van die hoogenergetische elektronen is erg moeilijk. Voor een ding, alle informatie over het neutrino is ingebed in een klein deel van het spectrum - minder dan 1 miljardste verval is van nut voor deze meting. Dus, we hebben veel tritiumvoorraad nodig. We moeten ook de energie van die elektronen heel erg meten, heel precies. Daarom is het KATRIN-experiment zo lastig te bouwen. Onze allereerste meting die vandaag wordt gepresenteerd, is het hoogtepunt van bijna twee decennia hard werken en plannen.

MIT nam deel aan het KATRIN-experiment toen ik in 2005 naar Boston kwam. Onze groep hielp bij het ontwikkelen van de simulatietools om de reactie van onze detector op hoge precisie te begrijpen. Recenter, we zijn betrokken geweest bij het ontwikkelen van tools om de gegevens die door het experiment zijn verzameld, te analyseren.

Vraag:Waarom is de massa van een neutrino van belang, en wat is er nodig om de exacte massa op nul te krijgen?

A:Het feit dat neutrino's enige massa hebben, was voor veel natuurkundigen een verrassing. Onze eerdere modellen voorspelden dat het neutrino precies nul massa zou moeten hebben, een veronderstelling die wordt verworpen door de ontdekking dat neutrino's tussen verschillende typen schommelen. Dat betekent dat we het mechanisme dat verantwoordelijk is voor neutrinomassa's niet echt begrijpen, en het is waarschijnlijk heel anders dan hoe andere deeltjes massa bereiken. Ook, ons universum is gevuld met oerneutrino's van de oerknal. Zelfs een kleine massa heeft een aanzienlijke invloed op de structuur en evolutie van het universum omdat ze zo talrijk zijn.

Deze meting vertegenwoordigt slechts het begin van de meting van KATRIN. Met slechts ongeveer een maand aan gegevens, we waren in staat om eerdere experimentele limieten met een factor twee te verbeteren. In de komende jaren, deze limieten zullen gestaag verbeteren, hopelijk resulterend in een positief signaal (in plaats van slechts een limiet). Er zijn ook een aantal andere directe neutrino-massa-experimenten aan de horizon die ook concurreren om een ​​grotere gevoeligheid te bereiken, en daarmee ontdekking.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.