Een internationaal team van wetenschappers heeft een doorbraak aangekondigd in zijn zoektocht naar het meten van de massa van het neutrino, een van de meest voorkomende, maar ongrijpbaar, elementaire deeltjes in ons heelal.

Op de 2019 Topics in Astroarticle and Underground Physics-conferentie in Toyama, Japan, leiders van het KATRIN-experiment meldden op 13 september dat het geschatte bereik voor de rustmassa van het neutrino niet groter is dan 1 elektronvolt, of ev. Deze eerste resultaten die eerder dit jaar werden verkregen door het Karlsruhe Tritium Neutrino-experiment - of KATRIN - hebben het massabereik voor het neutrino met meer dan de helft verminderd door de bovengrens van de massa van het neutrino te verlagen van 2 eV naar 1 eV. De ondergrens voor de neutrinomassa, 0,02 eV, werd ingesteld door eerdere experimenten door andere groepen.

"Door de massa van het neutrino te kennen, kunnen wetenschappers fundamentele vragen in de kosmologie beantwoorden, astrofysica en deeltjesfysica, zoals hoe het universum evolueerde of welke fysica bestaat buiten het standaardmodel, " zei Hamish Robertson, een KATRIN-wetenschapper en emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Washington. "Deze bevindingen van de KATRIN-samenwerking verminderen het vorige massabereik voor het neutrino met een factor twee, strengere criteria stellen aan wat de massa van het neutrino eigenlijk is, en bieden een pad voorwaarts om de waarde definitief te meten."

Het KATRIN-experiment is gebaseerd op het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland en omvat onderzoekers van 20 onderzoeksinstellingen over de hele wereld. Naast de Universiteit van Washington, Instellingen die lid zijn van KATRIN in de Verenigde Staten zijn:

• De Universiteit van North Carolina in Chapel Hill, onder leiding van hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde John Wilkerson, een voormalig UW-faculteitslid
• Het Massachusetts Institute of Technology, onder leiding van hoogleraar natuurkunde Joseph Formaggio
• Het Lawrence Berkeley National Laboratory, onder leiding van adjunct-directeur van de Nuclear Science Division Alan Poon
• Carnegie Mellon Universiteit, onder leiding van assistent-professor natuurkunde Diana Parno
• Case Western Reserve-universiteit, onder leiding van universitair hoofddocent natuurkunde Benjamin Monreal

Onder Robertson en Wilkerson, de Universiteit van Washington werd in 2001 een van de oprichtende instellingen van KATRIN. Wilkerson verhuisde later naar de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill. Formaggio en Parno begonnen hun betrokkenheid bij KATRIN als UW-onderzoekers en verhuisden later naar hun huidige instellingen. Naast Robertson, andere huidige UW-wetenschappers die aan het KATRIN-experiment werken, zijn onderzoekshoogleraar natuurkunde Peter Doe, universitair hoofddocent natuurkunde Sanshiro Enomoto en Menglei Sun, een postdoctoraal onderzoeker in het UW Centre for Experimental Nuclear Physics and Astrophysics.

Neutrino's zijn er in overvloed. Ze zijn een van de meest voorkomende fundamentele deeltjes in ons universum, op de tweede plaats na fotonen. Toch zijn neutrino's ook ongrijpbaar. Het zijn neutrale deeltjes zonder lading en ze interageren alleen met andere materie via de toepasselijke naam "zwakke interactie, " wat betekent dat mogelijkheden om neutrino's te detecteren en hun massa te meten zowel zeldzaam als moeilijk zijn.

"Als je het zonnestelsel zou vullen met lood tot vijftig keer voorbij de baan van Pluto, ongeveer de helft van de door de zon uitgezonden neutrino's zou het zonnestelsel nog steeds verlaten zonder interactie met dat lood, ' zei Robertson.

Neutrino's zijn ook mysterieuze deeltjes die de natuurkunde al door elkaar hebben geschud, kosmologie en astrofysica. Het standaardmodel van de deeltjesfysica had ooit voorspeld dat neutrino's geen massa zouden hebben. Maar tegen 2001 wetenschappers hadden aangetoond met twee detectoren, Super-Kamiokande en het Sudbury Neutrino Observatorium, dat ze daadwerkelijk een massa hebben die niet nul is - een doorbraak die in 2015 werd erkend met de Nobelprijs voor natuurkunde. Neutrino's hebben massa, maar hoeveel?

"Het oplossen van de massa van het neutrino zou ons leiden naar een dappere nieuwe wereld van het creëren van een nieuw standaardmodel, " zei Doe.

De ontdekking van KATRIN komt voort uit directe, zeer nauwkeurige metingen van hoe een zeldzaam type elektron-neutrino-paar energie deelt. Deze benadering is hetzelfde als neutrino-massa-experimenten uit de jaren 1990 en vroege jaren 2000 in Mainz, Duitsland, en Troitsk, Rusland, beide stellen de vorige bovengrens van de massa op 2 eV. Het hart van het KATRIN-experiment is de bron die elektron-neutrino-paren genereert:gasvormig tritium, een zeer radioactieve isotoop van waterstof. Terwijl de tritiumkern radioactief verval ondergaat, het zendt een paar deeltjes uit:een elektron en een neutrino, beide delen 18, 560 eV aan energie.

Wetenschappers van KATRIN kunnen de neutrino's niet direct meten, maar ze kunnen elektronen meten, en probeer neutrino-eigenschappen te berekenen op basis van elektroneneigenschappen.

De meeste elektron-neutrino-paren die door het tritium worden uitgezonden, delen hun energiebelasting gelijk. Maar in zeldzame gevallen, het elektron neemt bijna alle energie op - er blijft slechts een kleine hoeveelheid over voor het neutrino. Die zeldzame paren zijn waar KATRIN-wetenschappers naar op zoek zijn omdat - dankzij E =mc2 - wetenschappers weten dat de minuscule hoeveelheid energie die overblijft voor het neutrino zijn rustmassa moet omvatten. Als KATRIN de energie van het elektron nauwkeurig kan meten, ze kunnen de energie van het neutrino berekenen en dus zijn massa.

De tritiumbron genereert elke seconde ongeveer 25 miljard elektron-neutrino-paren, waarvan slechts een fractie paren zijn waarbij het elektron bijna alle vervalenergie opneemt. De KATRIN-faciliteit in Karlsruhe gebruikt een complexe reeks magneten om het elektron weg te leiden van de tritiumbron en naar een elektrostatische spectrometer, die de energie van de elektronen met hoge precisie meet. Een elektrische potentiaal in de spectrometer creëert een "energiegradiënt" die elektronen moeten "klimmen" om door de spectrometer te gaan voor detectie. Door de elektrische potentiaal aan te passen, kunnen wetenschappers de zeldzame, hoge energie elektronen, die informatie bevatten over de neutrinomassa.

Amerikaanse instellingen hebben brede bijdragen geleverd aan KATRIN, inclusief het leveren van het elektronendetectorsysteem - het "oog" van KATRIN - dat in het hart van de spectrometer kijkt, een instrument gebouwd aan de UW. De Universiteit van North Carolina in Chapel Hill leidde de ontwikkeling van het data-acquisitiesysteem van de detector, het "brein" van KATRIN. De bijdrage van MIT was het ontwerp en de ontwikkeling van de simulatiesoftware die werd gebruikt om de respons van KATRIN te modelleren. Het Lawrence Berkeley National Laboratory droeg bij aan de totstandkoming van het natuurkundig analyseprogramma en bood toegang tot nationale computerfaciliteiten, en snelle analyse werd mogelijk gemaakt door een reeks applicaties die zijn oorsprong vond bij de UW. De Case Western Reserve University was verantwoordelijk voor het ontwerp van het elektronenkanon, centraal bij het kalibreren van het KATRIN-apparaat. Carnegie Mellon University droeg voornamelijk bij aan analyse, met speciale aandacht voor achtergrond en montage, en assisteerde bij de coördinatie van de analyse voor het experiment.

Nu tritium data-acquisitie aan de gang is, Amerikaanse instellingen zijn gericht op het analyseren van deze gegevens om ons begrip van de neutrinomassa verder te verbeteren. Deze inspanningen kunnen ook het bestaan ​​van steriele neutrino's aan het licht brengen, een mogelijke kandidaat voor de donkere materie die, hoewel ze 85% van de materie in het heelal voor hun rekening nemen, blijft onopgemerkt.

"KATRIN is niet alleen een lichtend baken van fundamenteel onderzoek en een buitengewoon betrouwbaar hightech instrument, maar ook een motor van internationale samenwerking, die een eersteklas opleiding van jonge onderzoekers biedt, "Zei KATRIN-medewoordvoerders Guido Drexlin van het Karlsruhe Institute of Technology en Christian Weinheimer van de Universiteit van Münster in een verklaring.

Nu wetenschappers van KATRIN een nieuwe bovengrens hebben vastgesteld voor de massa van het neutrino, projectwetenschappers werken eraan om het bereik nog verder te verkleinen.

"Neutrino's zijn vreemde kleine deeltjes, "zei Doe. "Ze zijn zo alomtegenwoordig, en er is zoveel dat we kunnen leren als we deze waarde eenmaal hebben bepaald."

Het Office of Nuclear Physics van het Amerikaanse ministerie van Energie financiert sinds 2007 de Amerikaanse deelname aan het KATRIN-experiment.