Het standaardmodel voor deeltjesfysica is een van de meest indrukwekkende prestaties van de wetenschap. Het is een rigoureuze, nauwkeurige poging om drie van de vier fundamentele krachten van het heelal te begrijpen en te beschrijven: de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. Zwaartekracht is afwezig omdat tot nu toe het inpassen in het standaardmodel een enorme uitdaging was.
Maar er zijn enkele gaten in het standaardmodel, en een daarvan betreft de massa van de neutrino.
Het bestaan van de neutrino werd voor het eerst voorgesteld in 1930, daarna ontdekt in 1956. Sindsdien hebben natuurkundigen geleerd dat er drie soorten neutrino's zijn, en ze zijn overvloedig en ongrijpbaar. Alleen speciale voorzieningen kunnen ze detecteren omdat ze zelden in wisselwerking staan met andere materie. Er zijn verschillende bronnen voor, en sommigen van hen zijn sinds de oerknal door de ruimte gezwaaid, maar de meeste neutrino's bij de aarde komen van de zon.
Het standaardmodel voorspelt dat neutrino's geen massa hebben, zoals fotonen. Maar natuurkundigen hebben ontdekt dat de drie soorten neutrino's tijdens het bewegen in elkaar kunnen veranderen. Volgens natuurkundigen zouden ze dat alleen moeten kunnen als ze massa hebben.
Maar hoeveel massa? Dat is een vraag die deeltjesfysici op de hielen zit. En het beantwoorden van die vraag maakt deel uit van wat wetenschappers bij KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.) Drijft.
"Deze bevindingen van de KATRIN-samenwerking verminderen het vorige massabereik voor de neutrino met een factor twee ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN-WETENSCHAPPER EN PROFESSOREMERITUS VAN DE FYSICA AAN DE UNIVERSITEIT VAN WASHINGTON.
Een team van onderzoekers heeft daar een deel van een antwoord op gevonden: de massa van de neutrino mag niet groter zijn dan 1,1 elektronvolt (eV.) Dit is een verlaging van de bovengrens van de massa van een neutrino met bijna 1 eV; van 2 eV tot 1,1 eV. Door voort te bouwen op eerdere experimenten die de ondergrens van de massa instelden op 0,02 eV, hebben deze onderzoekers een nieuw bereik vastgesteld voor de massa van de neutrino. Het laat zien dat een neutrino minder dan 1 / 500.000ste van de massa van een elektron heeft. Dit is een belangrijke stap in de vooruitgang van het standaardmodel.
"Door de massa van de neutrino te kennen, zullen wetenschappers fundamentele vragen in de kosmologie, astrofysica en deeltjesfysica kunnen beantwoorden ..."
Hamish Robertson, KATRIN-wetenschapper en emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Washington.
De onderzoekers achter dit werk zijn afkomstig van 20 verschillende onderzoeksinstellingen over de hele wereld. Ze werken samen met KATRIN aan het Karlsruhe Institute of Technology in Duitsland. De KATRIN-faciliteit beschikt over een 10 meter hoge-spectrometer met hoge resolutie waarmee elektronenergieën met grote precisie kunnen worden gemeten.
Het KATRIN-team presenteerde hun resultaten op de Topics in Astroparticle and Underground Physics-conferentie van 2019 op 13 september in Toyama, Japan.
"Door de massa van de neutrino te kennen, zullen wetenschappers fundamentele vragen in de kosmologie, astrofysica en deeltjesfysica kunnen beantwoorden, zoals hoe het universum is geëvolueerd of welke fysica buiten het standaardmodel bestaat," zei Hamish Robertson, een KATRIN-wetenschapper en emeritus hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Washington. "Deze bevindingen van de KATRIN-samenwerking verkleinen het vorige massabereik voor de neutrino met een factor twee, stellen strengere criteria vast voor wat de massa van de neutrino eigenlijk is, en bieden een manier om de waarde definitief te meten."
Neutrino's zijn notoir moeilijk te detecteren, ook al zijn ze er in overvloed. Alleen fotonen komen meer voor. Zoals hun naam al zegt, zijn ze elektrisch neutraal. Dit maakt het detecteren ervan uiterst moeilijk. Er zijn neutrino-observatoria die diep in het Antarctische ijs zijn gezonken, en ook diep in verlaten mijnen. Ze gebruiken vaak zwaar water om de neutrino's te verleiden tot interactie. Wanneer een neutrino interageert, produceert het Cherenkov-straling die kan worden gemeten.
'Als je het zonnestelsel met lood tot vijftig keer buiten de baan van Pluto zou vullen, zou ongeveer de helft van de door de zon uitgezonden neutrino's het zonnestelsel nog steeds verlaten zonder interactie met die leiding', zei Robertson.
De geschiedenis van de neutrino is in de loop van de tijd geëvolueerd met experimenten zoals KATRIN. Oorspronkelijk voorspelde het standaardmodel dat neutrino's geen massa zouden hebben. Maar in 2001 toonden twee verschillende detectoren aan dat hun massa niet nul was. De Nobelprijs voor natuurkunde 2015 werd toegekend aan twee wetenschappers die aantoonden dat neutrino's tussen soorten kunnen oscilleren, wat aantoont dat ze massa hebben.
De KATRIN-faciliteit meet indirect de massa neutrino's. Het werkt door het verval van tritium te monitoren, wat een zeer radioactieve vorm van waterstof is. Als het tritiumisotoop vergaat, zendt het paren deeltjes uit: een elektron en een anti-neutrino. Samen delen ze 18.560 eV aan energie.
In de meeste gevallen deelt het paar deeltjes de 18.560 eV gelijk. Maar in zeldzame gevallen neemt het elektron de meeste energie op, waardoor de neutrino met heel weinig achterblijft. Deze zeldzame gevallen zijn waar wetenschappers op gefocust zijn.
Vanwege E = mC2 moet de kleine hoeveelheid energie die in deze zeldzame gevallen overblijft voor de neutrino ook gelijk zijn aan de massa. Omdat KATRIN het vermogen heeft om het elektron nauwkeurig te meten, kan het ook de massa van de neutrino bepalen.
"Het oplossen van de massa van de neutrino zou ons in een dappere nieuwe wereld brengen van het creëren van een nieuw standaardmodel", zegt Peter Doe, een hoogleraar natuurkunde aan de universiteit van Washington die aan KATRIN werkt.
Dit nieuwe standaardmodel dat Doe noemt, kan mogelijk de oorzaak zijn van donkere materie, die de meeste materie in het heelal vormt. Inspanningen zoals KATRIN kunnen op een dag een ander, vierde type neutrino detecteren, de steriele neutrino genaamd. Tot dusver is dit vierde type slechts een vermoeden, maar het is een kandidaat voor donkere materie.
'Neutrino's zijn vreemde kleine deeltjes', zei Doe. "Ze zijn zo alomtegenwoordig en we kunnen zoveel leren als we deze waarde bepalen."
Aantonen dat neutrino's massa hebben en het bereik van die massa beperken, zijn beide belangrijk. Maar deeltjesfysici weten nog steeds niet hoe ze hun massa winnen. Het is waarschijnlijk anders dan hoe andere deeltjes de hunne krijgen.
Resultaten zoals deze van KATRIN helpen een gat te dichten in het standaardmodel en in ons algehele begrip van het universum. Het universum zit vol met oude neutrino's uit de oerknal en elke vooruitgang in de massa van de neutrino helpt ons te begrijpen hoe het universum is gevormd en geëvolueerd.
Meer:
- Persbericht: KATRIN halveert de geschatte massa voor het ongrijpbare neutrino
- Karlsruhe Institute of Technology: KATRIN
- CERN: het standaardmodel
- Symmetry Magazine: Five Mysteries the Standard Model Can't Explain
- MIT News: 3Q: Wetenschappers scheren de massa van neutrino's in tweeën
