המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הוא אחד מהמלכיים המרשימים ביותר במדע. זהו מאמץ קפדני ומדויק להבין ולתאר שלושה מארבעת הכוחות הבסיסיים של היקום: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש. כוח הכובד נעדר מכיוון שעד כה התאמתו לדגם הסטנדרטי הייתה מאתגרת ביותר.
אבל יש כמה חורים במודל הסטנדרטי, ואחד מהם כרוך במסת הנייטרינו.
קיומו של הנייטרינו הוצע לראשונה בשנת 1930, אז התגלה בשנת 1956. מאז, פיזיקאים למדו שישנם שלושה סוגים של נייטרינו, והם שופעים וחמקמקים. רק מתקנים מיוחדים יכולים לזהות אותם מכיוון שהם לעתים רחוקות מתקשרים עם חומר אחר. ישנם כמה מקורות עבורם, וחלקם רוכסים בחלל מאז המפץ הגדול, אך מרבית הנייטרינים הסמוכים לכדור הארץ מגיעים מהשמש.
המודל הסטנדרטי מנבא שלנייטרינו אין מסה, כמו פוטונים. אך פיזיקאים גילו כי שלושת סוגי הנייטרינו יכולים להפוך זה לזה תוך כדי תנועה. לדברי פיזיקאים, הם צריכים להיות מסוגלים לעשות זאת רק אם יש להם מסה.
אבל כמה מסה? זו שאלה שעסקה בפיסיקאים של חלקיקים. ותשובה לשאלה זו היא חלק ממה שמניע מדענים ב KATRIN (ניסוי ניטרינו של קרלסרוה טריטיום).
"ממצאים אלה על ידי שיתוף הפעולה של KATRIN מצמצמים את טווח המסה הקודם של הנייטרינו בגורם של שניים ..."
חאמיש רוברטסון, מדען קתרין, אמריקאי ומנחה לפיזיקה באוניברסיטת וושינגטון.
צוות חוקרים גילה חלק מתשובה לכך: מסת הנייטרינו יכולה להיות לא גדולה מ- 1.1 וולט אלקטרונים (eV.) זו הפחתה של הגבול העליון של מסת הניטרינו בכמעט 1 וולט; מ- 2 eV למטה ל- 1.1 eV. על ידי התבססות על ניסויים קודמים שקבעו את גבול המסה התחתון על 0.02 eV, חוקרים אלה קבעו טווח חדש למסת הנייטרינו. זה מראה שלנייטרינו יש פחות מ- 1 / 500,000 המסה של אלקטרון. זהו צעד חשוב בקידום הדגם הסטנדרטי.
"הכרת מסת הנייטרינו תאפשר למדענים לענות על שאלות מהותיות בקוסמולוגיה, אסטרופיזיקה ופיזיקת החלקיקים ..."
האמיש רוברטסון, מדען KATRIN ופרופסור אמריטוס לפיזיקה באוניברסיטת וושינגטון.
החוקרים העומדים מאחורי עבודה זו מגיעים מעשרים מוסדות מחקר שונים ברחבי העולם. הם עובדים עם KATRIN במכון הטכנולוגי בקרלסרוה בגרמניה. מתקן KATRIN כולל ספקטרומטר ברזולוציה גבוהה של 10 מטרים המאפשר לו למדוד אנרגיות אלקטרונים בדיוק רב.
צוות KATRIN הציג את תוצאותיהם בכנס הנושאים בסטרטיקה של חלקיקים אסטרואלקטוריים ותת קרקעיים ב טוימה, יפן, ב -13 בספטמבר.
"הכרת מסת הנייטרינו תאפשר למדענים לענות על שאלות מהותיות בקוסמולוגיה, אסטרופיזיקה ופיזיקת החלקיקים, כמו כיצד התפתח היקום או איזה פיזיקה קיימת מעבר למודל הסטנדרטי", אמר חמיש רוברטסון, מדען KATRIN ופרופסור אמריטוס לפיזיקה. באוניברסיטת וושינגטון. "ממצאים אלה על ידי שיתוף הפעולה של KATRIN מצמצמים את טווח המסה הקודם של הנייטרינו בגורם של שניים, מציבים קריטריונים מחמירים יותר על מה מסתו של המוני הנייטרינו ומעניקים דרך קדימה למדידת ערכו באופן סופי."
נוטרינו קשה לאיתור, למרות שהם בשפע. רק פוטונים נמצאים בשפע. כמו ששמם אומר, הם ניטרלים חשמלית. זה מקשה מאוד על גילוים. ישנם מצפי נייטרינו ששקעים עמוק בקרח אנטארקטיקה, וגם עמוקים במוקשים נטושים. לעתים קרובות הם משתמשים במים כבדים כדי לפתות את הנייטרינים לקיים אינטראקציה. כאשר נייטרינו אכן מתקיים אינטראקציה, הוא מייצר קרינת צ'רנקוב הניתנת למדידה.
"אם מילאת את מערכת השמש עם עופרת חמישים פעמים מעבר למסלולו של פלוטו, כמחצית מהנייטרינים שנפלטו מהשמש עדיין היו עוזבים את מערכת השמש מבלי ליצור אינטראקציה עם העופרת ההיא", אמר רוברטסון.
ההיסטוריה של הנייטרינו התפתחה עם הזמן עם ניסויים כמו KATRIN. במקור, הדגם הסטנדרטי חזה כי לנייטרינו אין מסה. אבל בשנת 2001, שני גלאים שונים הראו שהמסה שלהם אינה אפסית. פרס נובל לפיזיקה לשנת 2015 הוענק לשני מדענים שהראו כי נייטרינו יכול לתנוד בין סוגים, ומראה שיש להם מסה.
מתקן KATRIN מודד את מסת הנייטרינים בעקיפין. זה עובד על ידי מעקב אחר ריקבון הטריטיום שהוא סוג מאוד רדיואקטיבי של מימן. כאשר האיזוטופ של הטריטיום מתפורר הוא פולט זוגות של חלקיקים: אלקטרון ואנטי נייטרינו. יחד הם חולקים 18,560 eV של אנרגיה.
ברוב המקרים, זוג החלקיקים חולק את 18,560 eV באופן שווה. אך במקרים נדירים האלקטרונים מגזים ברוב האנרגיה ומשאירים את הנייטרינו במעט מאוד. מקרים נדירים אלה הם מה שמדענים מתמקדים בו.
בגלל E = mC2, כמות האנרגיה הזעירה שנותרה לנייטרינו במקרים נדירים אלה חייבת להיות שווה גם למסה שלה. מכיוון של- KATRIN יש את הכוח למדוד את האלקטרון במדויק, הוא גם מסוגל לקבוע את המסה של הנייטרינו.
"פיתרון מסת הנייטרינו יוביל אותנו לעולם חדש ואמיץ של יצירת מודל סטנדרטי חדש," אמר פיטר דו, פרופסור למחקר לפיזיקה מאוניברסיטת וושינגטון שעובד על KATRIN.
מודל סטנדרטי חדש זה שאותו מציין דו עלול עשוי להיות פוטנציאל להסביר חומר אפל, המרכיב את מרבית העניין ביקום. מאמצים כמו KATRIN עשויים יום אחד לאתר סוג אחר, רביעי של נייטרינו הנקרא נייטרינו סטרילי. עד כה הסוג הרביעי הזה הוא רק השערה, אבל הוא מועמד לחומר אפל.
"נוטרינו הם חלקיקים קטנים ומשונים," אמר דו. "הם כל כך נמצאים בכל מקום, ויש כל כך הרבה דברים שאפשר ללמוד ברגע שאנו קובעים את הערך הזה."
יש חשיבות להראות שלנייטרינו יש מסה, והגבלת טווח המסה ההיא, שניהם חשובים. אבל פיסיקאים של חלקיקים עדיין לא יודעים איך הם משיגים את המסה שלהם. זה כנראה שונה מאיך שחלקיקים אחרים מרוויחים את שלהם.
תוצאות כמו KATRIN מסייעות בסגירת חור במודל הסטנדרטי ובהבנה הכוללת שלנו של היקום. היקום מלא בניוטרינו קדומים מהמפץ הגדול, וכל התקדמות במסת הנייטרינו עוזרת לנו להבין כיצד היקום התפתח והתפתח.
יותר:
- הודעה לעיתונות: KATRIN קוצץ לחצי את אומדן המסה של הנייטרינו החמקמק
- מכון קרלסרוה לטכנולוגיה: KATRIN
- CERN: הדגם הסטנדרטי
- מגזין סימטריה: חמישה תעלומות שהמודל הסטנדרטי לא יכול להסביר
- חדשות MIT: 3Q: מדענים מגלחים את הערכת המסה של הנייטרינו לשניים
