Në vitet 1930, koncepti i neutrinos doli për të shpjeguar mungesën e energjisë dhe vrullit në prishjen e beta bërthamore, duke çuar në konfirmimin e tyre përfundimtar eksperimental në vitin 1956. Këto grimca fantazmë, që mezi bashkëveprojnë me materien, kalojnë përmes nesh pa u vënë re nga burime kozmike si dielli. Hulumtimet e avancuara kanë treguar se neutrinot lëkunden midis llojeve dhe zotërojnë masë, duke kundërshtuar teoritë e mëparshme dhe duke sugjeruar fizikën e pazbuluar. Krediti: SciTechDaily.com /(1)
Zbulimi dhe kërkimet e vazhdueshme në neutrino kanë ndryshuar ndjeshëm konceptet themelore të fizikës së grimcave, duke theksuar masën e grimcave dhe duke sfiduar saktësinë e modelit standard.
Në vitet 1930, rezultoi se as energjia dhe as bilanci i vrullit nuk janë të sakta në prishjen beta radioaktive të një bërthamë atomike. Kjo çoi në postulatin e “grimcave fantazmë” që “fshehurazi” largojnë energjinë dhe vrullin. Në vitin 1956, më në fund u mor prova eksperimentale e këtyre neutrinos.
Sfida: neutrinot bashkëveprojnë vetëm me grimcat e tjera të materies nëpërmjet ndërveprimit të dobët që është gjithashtu në themel të prishjes beta të një bërthame atomike. Për këtë arsye, qindra triliona neutrino nga kozmosi, veçanërisht dielli, mund të kalojnë nëpër trupin tonë çdo sekondë pa shkaktuar asnjë dëm. Përplasjet jashtëzakonisht të rralla të neutrinos me grimca të tjera të materies mund të zbulohen vetëm me detektorë të mëdhenj.
Oscilacionet e neutrinos dhe sfida ndaj modelit standard
Neutrinot diellore sollën një tjetër zbulesë novatore: tre llojet e neutrinove të njohura deri më sot mund të transformohen në njëri-tjetrin. Megjithatë, këto “lëkundje neutrino” patën një pasojë të rëndë për pikëpamjen botërore të fizikës së grimcave. Më parë, supozohej se neutrinot nuk kishin masë pushimi, si fotonet. Kjo do të ishte në përputhje me modelin standard të fizikës së grimcave, përshkrimi më i mirë i botës së grimcave deri më sot. Megjithatë, lëkundjet detyruan një masë pushimi për neutrinot , një tregues i mëtejshëm se fizika e re duhet të ekzistojë përtej modelit standard.
Matja e masës neutrino nëpërmjet prishjes beta
Njohja e masës së saktë të pushimit të neutrinos do të ishte pra një sesame e hapur në botën e panjohur të fizikës së re. Për fat të keq, nuk mund të vendosësh thjesht një neutrino në një shkallë. Kjo kërkon eksperimente tejet komplekse mbi proceset fizike teknikisht të arritshme që përfshijnë neutrinot.
“Një mënyrë është prishja beta e tritiumit,” shpjegon Christoph Schweiger, student i doktoraturës në departamentin e Klaus Blaum në Institutin Max Planck për Fizikën Bërthamore.
Këtu, një nga dy neutronet në hidrogjenin super të rvnda prishet në një proton dhe lëshon një elektron dhe një neutrino, duke e transformuar kështu atomin në helium më të lehtë. Ky proces është “peshuar” nga eksperimenti KATRIN në Institutin e Teknologjisë Karlsruhe.
Kapja e elektroneve dhe matja e energjisë në kërkimin e neutrinos
“Rruga plotësuese është kapja elektrone e izotopit artificial holmium-163,” vazhdon Schweiger.
Këtu, bërthama atomike kap një elektron nga guaska e brendshme elektrone, me ç’rast një proton shndërrohet në neutron, duke rezultuar në elementin dysprosium-163. Kjo gjithashtu lëshon një neutrino, ndër të tjera.
Bashkëpunimi ndërkombëtar i ECHo, në të cilin janë përfshirë shkencëtarët e Heidelbergut, përpiqet ta masë këtë proces të prishjes energjikisht me saktësi ekstreme. Sipas E = mc2 të Ajnshtajnit, masa dhe energjia janë ekuivalente, kështu që matja e energjisë mund të barazohet me masat peshuese.
Si një “kalorimetër”, ECHo mat jashtëzakonisht saktë energjinë totale të lëshuar në këtë kalbje: Kjo korrespondon me një maksimum të vlerës Q minus masën tjetër të neutrinos lëshuar. Për këtë qëllim, izotopi holmium-163 është inkorporuar në një shtresë atomesh ari.
Teknika të avancuara në matjen e masës
“Megjithatë, këto atome ari mund të kenë një ndikim në holmium-163,” shpjegon Schweiger. “Prandaj është e rëndësishme të matet vlera e Q sa më saktë që të jetë e mundur duke përdorur një metodë alternative dhe ta krahasojmë atë me vlerën e përcaktuar në mënyrë që të zbulojmë burimet e mundshme sistematike të gabimit.”
Këtu hyn në lojë eksperimenti i pentatrapit të Heidelbergut dhe teza e doktoraturës së Schweiger. Pentatrap përbëhet nga pesë të ashtuquajturat kurthe Penning. Në këto kurthe, atomet e ngarkuara elektrikisht mund të kapen në një kombinim të një fushe statike elektrike dhe magnetike. Këto jone kryejnë një “kërcim rrethor” të ndërlikuar, i cili lejon që masa e tyre të përcaktohet me saktësi ekstreme.
“Me një Airbus A-380 me një ngarkesë maksimale, ju mund ta përdorni këtë ndjeshmëri për të përcaktuar nëse një pikë e vetme uji ka zbarkuar mbi të,” thotë fizikani, duke ilustruar aftësitë e kësaj super shkalle.
Implikimet e matjeve të masës neutrino
Në parim, një kurth Penning funksionon si një lëkundje. Nëse vendosni dy fëmijë me pesha të ndryshme pranë njëri-tjetrit në dy lëkundje të të njëjtit lloj dhe i shtyni po aq fort, gradualisht do të vëreni një ndryshim në frekuencat e lëkundjes. Kjo mund të përdoret për të llogaritur diferencën në peshë midis dy fëmijëve. Në rastin e eksperimentit pentatrap, ky është dallimi në masë midis një jon holmium-163 dhe një jon dysprosium-163.
Përveç kësaj, sa më shpejt të lëkunden të dy fëmijët, aq më shpejt arrihet rezultati, gjë që është gjithashtu shumë më e saktë për të njëjtën kohë vëzhgimi sesa për lëkundjet e ngadalta. Për këtë arsye, ekipi hoqi 38, 39 dhe 40 elektrone nga jonet “shumë të ngarkuara” në tre seri të ndryshme matjesh, gjë që e bëri “kërcimin e rrethit” të tyre në mënyrë të konsiderueshme më të shpejtë.
“Nëse çdo gjë funksionon, një matje do të kërkojë vetëm disa javë,” thotë Schweiger.
E ardhmja e Neutrino Mass Research
Nga dallimet në masë si rezultat i matjeve të ndryshme të frekuencave, nëpërmjet E = mc2 shkencëtarët e Heidelbergut më në fund ishin në gjendje të përcaktonin një vlerë Q për kapjen e elektroneve që ishte 50 herë më e saktë se më parë.
“Kontributi i tre grupeve teorike, duke përfshirë grupin e Christoph Keitel këtu në institut, ishte po aq i rëndësishëm sa matja jonë,” thekson Schweiger.
Përveç diferencës së frekuencës midis dy joneve, një variabël e dytë ka një ndikim të rëndësishëm në vlerën Q të përcaktuar: energjia e ruajtur në sistemin elektron të mbetur të një jon shumë të ngarkuar. Si një jon i tillë i madh është një sistem shumë-grimcash, llogaritja ishte korresponduese komplekse. Rezultoi se llogaritjet rezultuan pothuajse saktësisht të njëjtat vlera Q për tre gjendjet e ngarkesës së matur me 38, 39, dhe 40 elektrone të hequra. Kjo e bëri të qartë se pasiguritë sistematike në eksperiment dhe teori mund të përjashtohen, thekson Schweiger me entuziazëm. Dhe çfarë do të thotë kjo për masat e neutrinos?
KATRIN përcaktoi kufirin e sipërm më të saktë deri më sot të masës së neutrinos duke “peshuar” me 0.8 volt elektron për shpejtësi të dritës katrore, që korrespondon me një 0.0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000
Ky rend me magnitudë 10-36 korrespondon afërsisht me raportin e peshës midis katër rrushit të thatë dhe diellit. Dhe ky është vetëm një kufi i lartë.
Analiza e shpërndarjes së vlerësuar në masë në univers arrin madje në një kufi të sipërm dukshëm më të ulët të masave neutrino prej 0.12 volt elektron për shpejtësi të dritës katrore.
“Megjithatë, kjo analizë është shumë komplekse dhe varet nga modeli kozmologjik i përdorur,” thotë Schweiger.
Në çdo rast, është e qartë se kushdo që dëshiron të peshojë neutrinot përballet me sfida ekstreme në buzë të asaj që teknikisht është e mundur. Në këtë sfond, rezultati i Heidelbergut është një hap i madh përpara në rrugën e zgjidhjes së misterit të masave neutrino.Referenca: “Matja direkte me precizion të lartë Penning-trap e vlerës Q të kapjes së elektronit në vitin 163Ho për përcaktimin e masës së neutrinos elektrone” 19 prill 2024, Fizika e Natyrës.
DOI: 10.1038/s41567-024-02461-9
Nga ROLAND WENGENMAYR, INSTITUTI MAX PLANCK PËR FIZIKËN BËRTHAMORE 19 PRILL 2024
TEMAT:Fizika AtomikeInstituti Max PlanckFizika E Grimcave
Reference:
