Physiker kommen der Messung des schwer fassbaren Neutrinos näher als je zuvor
Gespenstische Teilchen genannt Neutrinos kaum jemals mit normaler Materie interagieren, was den klitzekleinen Erscheinungen überragende Versteckkräfte verleiht. Sie sind so schwer fassbar, dass Physiker in den Jahrzehnten seit ihrer ersten Entdeckung ihre Masse immer noch nicht genau bestimmt haben. Aber kürzlich haben Wissenschaftler, indem sie sie auf eine 200-Tonnen-Neutrino-Waage legten, eine neue Grenze für die Masse des Neutrinos gesetzt.
Das Ergebnis: Es ist sehr, sehr klein.
Mit der empfindlichsten Neutrinoskala der Welt analysierten Physiker eine Flut von Daten, um festzustellen, dass das schwer fassbare Teilchen nicht schwerer als 0,8 Elektronenvolt (eV) ist, das erste Mal, dass ein Experiment die Schwelle von 1 eV für das Gewicht eines Subatoms unterschritten hat Partikel. Zum Vergleich: Ein Elektron wiegt etwa 511.000 eV oder 9,11 x 10^-31 Kilogramm.
Mit anderen Worten, sie haben keine Angst davor, keine Geister (zu messen).
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Neutrino-Rätsel
Neutrinos sind vielleicht die störendsten aller bekannten Teilchen in der Physik. Im Standardmodell der Teilchenphysik, der Goldstandard-Erklärung dafür, wie die Natur auf grundlegender Ebene funktioniert, sollten Neutrinos überhaupt keine Masse haben. Das liegt an der introvertierten Haltung des Teilchens gegenüber dem Rest seines Quantenreichs. Andere Teilchen, wie Elektronen, erhalten ihre Masse durch Wechselwirkung mit einem Quantenfeld, das vom Higgs-Boson-Teilchen erzeugt wird. (Stellen Sie sich ein Teilchen vor, das durch einen Wasserteich weht, während ein anderes durch eine Wanne mit Melasse stapft, und Sie können sehen, wie das Higgs-Feld Teilchen, die damit interagieren, unterschiedliche Massen verleihen könnte.) Aber für die Neutrinos existiert kein solcher Mechanismus. und so gingen Physiker jahrzehntelang einfach davon aus, dass die kleinen Teilchen wie Photonen völlig masselos seien.
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Und diese Idee eines masselosen Neutrinos funktionierte einige Zeit auf dem Gebiet der Physik, selbst nachdem mehr Informationen über Neutrinos bekannt wurden, wie die Tatsache, dass sie in drei Arten oder „Geschmacksrichtungen“ vorkommen, eine für jede Art von Wechselwirkung, die sie haben können teilnehmen an: Elektron-Neutrinos erscheinen zusammen mit Elektronen; Myon-Neutrinos paaren sich mit Myonen; und Tau-Neutrinos gehen mit Tau-Partikeln einher. Diese Geschmacksidee passt gut zu einem masselosen Neutrino. Aber dann, in den 1960er Jahren, begannen Physiker zu bemerken, dass diese drei Neutrino-Spezies „oszillieren“ oder auf ihrer Reise von einem Geschmack zum anderen wechseln können.
Um zwischen Geschmacksrichtungen zu oszillieren, brauchen Neutrinos Masse. Und es stellt sich heraus, dass es wie Aromen drei verschiedene Neutrinomassen gibt. Damit die Schwingung funktioniert, müssen die drei Massen größer als Null und alle unterschiedlich sein. Auf diese Weise bewegen sich die drei Massen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und die Aromen oszillieren je nach Quantenzustand der drei Massen. Wenn die Massen alle Null wären, würden sich Neutrinos mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und hätten keine Chance zu oszillieren. Jede Masse entspricht jedoch nicht einem individuellen Aroma, sondern jedes Aroma setzt sich aus einer Mischung dieser Massen zusammen. Was wir zum Beispiel als Elektron-Neutrino sehen, ist eine komplexe Kombination aus drei verschiedenen Neutrinos mit drei verschiedenen Massen.
Bisher kennen die Physiker die Massen der drei Neutrinos nicht. Sie haben nur Grenzen, die durch verschiedene Experimente zur gesamten kombinierten Neutrinomasse und einigen Massenunterschieden zwischen verschiedenen Neutrinos geliefert werden.
Zerfall jagen
Die Masse irgendeiner Neutrino-Spezies festzunageln, wäre eine große Hilfe in der Teilchenphysik, weil wir nicht wissen, woher sie Masse haben. Es gibt viele theoretische Modelle da draußen, aber wir wissen nicht, welches richtig ist. Eine bekannte Masse könnte bei dieser Anstrengung helfen.
In Deutschland wurde das Gerät KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) des Karlsruher Instituts für Technologie genau dafür entwickelt. Das Gerät verfügt über eine absurd große Menge Tritium und ein gigantisches, 200 Tonnen (180 Tonnen) schweres Spektrometer, das die Energie von Elektronen misst.
Tritium ist ein seltenes, radioaktives Isotop von Wasserstoff bestehend aus einem Proton und zwei Neutronen. Es zerfällt auf natürliche Weise durch einen Prozess namens Beta-Zerfall, bei dem sich eines der Neutronen im Kern spontan in ein Proton umwandelt (durch eine Wechselwirkung, an der die schwache Kernkraft). Das Ergebnis? Die Umwandlung führt zur Emission eines Elektrons und eines Elektron-Antineutrinos, des Antiteilchenpartners des Elektron-Neutrinos.
Die durch die Reaktion freigesetzte Energiemenge wird durch die Kernenergie des Tritiumatoms bestimmt, und so müssen das Elektron und das Neutrino zusammen eine Gesamtenergie von 18,6 keV zwischen sich teilen. Denn Tritium ist so ein Licht Atomdas ist eine der niedrigsten Energien, die Neutrinos haben können, was die Messung der winzigen Neutrinomasse so einfach wie möglich macht.
Manchmal gibt die Reaktion dem Neutrino mehr Energie und manchmal weniger. Was übrig bleibt, muss zum Elektron. Wenn das Neutrino masselos ist, dann gibt es keine Untergrenze für die Energie, die es haben kann, genauso wie es keine Untergrenze für die Energie gibt, die ein Photon haben kann. Aber wenn das Neutrino Masse hat, dann hat es immer seine Ruhemassenenergie, also die Energie, die aufgrund seiner Masse in einem ruhenden Neutrino gespeichert ist. (Erinnern Sie sich, nach Einsteins berühmter Gleichung E=mc^2Energie ist gleich Masse multipliziert mit einer konstanten Zahl, der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat.) Und diese Energie der Ruhemasse wird dem Elektron niemals zur Verfügung stehen.
Der Name des Spiels bei KATRIN besteht also darin, die Energie von Elektronen zu messen, die aus den Tritiumzerfällen mit seinem riesigen Spektrometer austreten. Die Elektronen mit der höchsten Energie haben eine Energie nahe 18,6 eV, fallen aber nur ein wenig darunter. Dieser Unterschied ist genau auf die Masse des Neutrinos zurückzuführen.
Jenseits der Grenzen
Messungen der Neutrinomasse mit KATRIN begannen 2019, und inzwischen haben es die Physiker zu einer Wissenschaft gemacht. „KATRIN als Experiment mit höchsten technologischen Anforderungen läuft jetzt wie ein perfektes Uhrwerk“, sagt Guido Drexlin vom KIT, Projektleiter und einer der beiden Co-Sprecher des Experiments.
Das Experiment erforderte eine Menge Tritium-Zerfallsreaktion. „Diese mühsame und aufwändige Arbeit war die einzige Möglichkeit, eine systematische Verzerrung unseres Ergebnisses durch verzerrende Prozesse auszuschließen“, sagten die Koordinatoren Magnus Schlösser vom KIT und Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Physik und der Technischen Universität München. Diese „Verzerrungen“ sind alle möglichen Kontaminationsquellen, die auch die Elektronenenergie im Signal beeinflussen können, wie die Auswirkungen von Magnetfeldern und Ineffizienzen im Detektor.
In der neuesten Version hat das Team die Energie von über 3,5 Millionen einzelnen Elektronen gemessen. Diese Zahl selbst stellt weniger als ein Tausendstel aller vom Tritium emittierten Elektronen dar, da das Team nur an den Elektronen mit der höchsten Energie interessiert war, um die Neutrinomasse zu untersuchen.
Nach solch einer gewaltigen Anstrengung gab die internationale Kollaboration eine Bestätigung bekannt, dass das Neutrino nicht größer als 0,8 eV ist. Weitere Arbeiten mit KATRIN werden dieses Ergebnis weiter verfeinern und möglicherweise weitere Arten von Neutrinos entdecken, die möglicherweise herumfliegen.
Fühlen Sie sich frei, hier Ihren eigenen Geisterjäger-Witz einzufügen.
Ursprünglich veröffentlicht auf Live Science.