Pokonali ważną barierę w pomiarach masy neutrina

Od czasu odkrycia oscylacji neutrin wiemy, że neutrina mają niezerową masę. Dotychczas nie udało się jej precyzyjnie określić. Tymczasem neutrina to najbardziej rozpowszechnione, a jednocześnie najtrudniejsze do zbadania, ze wszystkich znanych nam cząstek. Teraz międzynarodowy zespół naukowcy pracujący przy eksperymencie KATRIN przełamał ważną barierę. Po raz pierwszy wykazano, że masa neutrino jest mniejsza od 1 elektronowolta (eV).

KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) znajduje się w Karlsruhe Institute for Technology w Niemczech. Uruchomiony w 2018 roku projekt to owoc współpracy Czech, Niemiec, Rosji, USA i Wielkiej Brytanii. Pracuje przy nim około 130 naukowców. Na łamach Nature ogłoszono właśnie, że podczas drugiej kampanii badawczej masę neutrina określono na 0,7 eV, a poziom ufności pomiaru wynosi 90%. W połączeniu z danymi z pierwszej kampanii badawczej KATRIN pracujący przy eksperymencie naukowcy ogłosili, że górny limit masy neutrina wynosi 0,8 eV. Tym samym wiemy, że neutrino jest o co najmniej 500 000 razy lżejsze od elektronu.

Głównym elementem eksperymentu KATRIN jest największy na świecie spektrometr. Urządzenie ma 23 metry długości i 10 metrów szerokości. Wewnątrz panuje próżnia. Najpierw przeprowadzany jest rozpad beta trytu, w wyniku którego powstaje elektron i antyneutrino. Następnie elektron, bez zmiany jego energii, jest kierowany do spektrometru. Pomiary energii samego neutrina nie są możliwe, ale możemy precyzyjnie mierzyć energię elektronu. Jako, że możemy zmierzyć łączną energię elektronu i antyneutrina oraz energię samego elektronu, jesteśmy w stanie poznać energię czyli masę, antyneutrina.

Gdy przed 5 laty opisywaliśmy zakończenie prac nad KATRIN i niezwykłą podróż komory próżniowej do miejsca montażu, cytowaliśmy ekspertów, którzy twierdzili, że KATRIN może być ostatnią nadzieją współczesnej fizyki,by bez nowej rewolucyjnej technologii zmierzyć masę neutrina. To koniec drogi, mówił wówczas Peter Doe, fizyk w University of Washington.

Obecnie fizyk Björn Lehnert z Lawrence Berkeley National Laboratory, który pracuje przy KATRIN, mówi, że przez najbliższe 3 lata naukowcy będą  prowadzili kolejne eksperymenty, by zebrać więcej danych, jednak ze względu na sposób pracy KATRIN nie spodziewa się zmniejszenia poziomu niepewności. Czynnikiem ograniczającym KATRIN jest chemia, ponieważ używamy molekuł trytu (T₂). Molekuły to złożone obiekty, mają więcej stopni swobody niż atomy, więc każdy ich rozpad jest nieco inny i inny jest ostateczny rozkład elektronów. W pewnym momencie nie będziemy już mogli udoskonalać pomiaru masy neutrina, gdyż sam początkowy rozpad jest obarczony pewnym marginesem niepewności. Jedynym sposobem na udoskonalenie pomiarów stanie się wówczas wykorzystanie trytu atomowego. Będzie z niego korzystał planowany dopiero eksperyment Project 8. Jest on bardzo obiecujący, ale miną lata zanim zostanie uruchomiony.

neutrino masa KATRIN