Er zijn veel vragen rond het elementaire deeltje neutrino, vooral wat betreft de massa. Natuurkundigen zijn ook geïnteresseerd of er naast de 'klassieke' neutrino's varianten zijn zoals de zogenaamde steriele neutrino's. Het KATRIN-experiment is er nu in geslaagd om de zoektocht naar deze ongrijpbare deeltjes sterk te beperken. De publicatie verscheen onlangs in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Strikt gesproken, het neutrino is geen enkel deeltje, maar bestaat uit verschillende soorten:het elektronenneutrino, het muon-neutrino, en het tau-neutrino. Deze deeltjes transformeren voortdurend in elkaar in een proces dat neutrino-oscillatie wordt genoemd. Aangenomen wordt dat neutrino's massa hebben; dit wordt bepaald in het KATRIN-experiment, die in 2019 begon aan het Karlsruhe Institute for Technology (KIT). Volgens de resultaten tot nu toe, het neutrino heeft een massa van minder dan 1 elektronvolt.

KATRIN kan ook worden gebruikt om verwante soorten op te sporen die tot nu toe alleen hypothetisch waren:de steriele neutrino's. De zwaardere tak (massa in kilo-elektronvoltbereik) wordt beschouwd als een kandidaat voor donkere materie en zal worden gezocht nadat een nieuwe detector in KATRIN is geïnstalleerd. Naast dit, er zou ook een lichter steriel neutrinotype kunnen zijn.

Nieuwe uitsluitingscriteria voor het licht steriele neutrino

Heel wat experimenten zijn op zoek naar lichte steriele neutrino's (massa in het elektronvoltbereik). Het zou zich ook kunnen openbaren in het KATRIN-experiment. De massa en de mengverhouding van actieve (normale) en steriele neutrino's spelen een essentiële real in de zoektocht naar het licht steriele neutrino.

Susanne Mertens en haar team van het Max Planck Institute for Physics (MPP) slaagden erin om met behulp van KATRIN nieuwe uitsluitingslimieten te definiëren. "Met onze evaluaties we waren in staat om het zoekgebied voor dit neutrino aanzienlijk te verkleinen, ’ zegt Mertens.

Met de nieuwe analyse van de KATRIN-gegevens, ontwikkeld door de groep van Susanne Mertens en Thierry Lasserre bij MPP, het bestaan ​​van steriele neutrino's met een massa tussen ongeveer 3 en 30 elektronvolt en een mengverhouding van meer dan 10% kan nu worden uitgesloten. Dit resultaat is een aanvulling op eerder bereikte uitsluitingslimieten.

Zoeken door de neutrinomassa te meten

Maar hoe kan KATRIN steriele neutrino's vinden? Met dezelfde methode, het experiment bepaalt ook de massa van het actieve neutrino. De massa van het neutrino kan worden gemeten via radioactief verval. KATRIN gebruikt hiervoor tritium (zwaar water). Wanneer een proton wordt omgezet in een neutron, een neutrino en een elektron worden geproduceerd. De vervalenergie van 18,6 kiloelektronvolt wordt daartussen verdeeld.

"We weten dat het neutrino extreem licht is en slechts een klein deel van de vervalenergie ontvangt, " zegt Mertens. "De maximale energie van het elektron wordt verminderd door de massa van het neutrino." De massa van het neutrino komt dus voort uit het verschil tussen de vervalenergie en de maximale energie van het elektron.

De detectie van het lichte steriele neutrino zou hetzelfde principe volgen. Als bij radioactief verval ook steriele neutrino's vrijkomen, het zou een zichtbaar spoor achterlaten in het energiespectrum van elektronen. "Dan zou er een duidelijke bocht in de bocht komen", legt Mertens uit. "Hierdoor zou KATRIN niet alleen de massa van actieve neutrino's kunnen bepalen, maar ook het bestaan ​​​​van een andere neutrino-soort kunnen bewijzen."