Fizikçiler, Hayalet Parçacığın En Küçük Kütlesini Ölçtüler

Hidrojenin çürüyen izotopları bize bir nötrino kütlesinin şimdiye kadarki en küçük ölçümünü verdi.

Fizikçiler, trityumun beta bozunması sırasında salınan elektronların enerji dağılımını ölçerek, elektron anti nötrinosunun kütlesi için üst sınırın sadece 0.8 elektron volt olduğunu belirlediler. Bu, metrik kütlede 1,6 × 10^-36 kilogram ve emperyal olarak çok, çok küçük.

Hala kesin bir ölçüme sahip olmasak da onu daraltmak bizi bu garip parçacıkları, evrende oynadıkları rolü ve mevcut fizik teorilerimiz üzerindeki etkilerini anlamaya daha da yaklaştırıyor. Deney, Almanya'daki Karlsruhe Trityum Nötrino Deneyi'nde (KATRIN) yapıldı.

Araştırmacılar makalelerinde, "Burada sunulan KATRIN'in ikinci nötrino-kütle ölçümü, elektron volt altı duyarlılığa ulaştı" diye yazdı. "İlk çalışmayla birlikte, mν<0.8 elektronvolt'luk iyileştirilmiş bir üst sınır belirledik. Bu nedenle, izin verilen yarı dejenere nötrino kütlesi modellerini daralttık ve nötrino kütlesi hakkında modelden bağımsız bilgiler sağladık. Bu, standart olmayan kozmolojik modellerin test edilmesini sağlar."

Nötrinolar çok tuhaftır. Elektronlara benzer şekilde Evrendeki en bol atom altı parçacıklar arasındadırlar, ancak yüksüz ve neredeyse kütlesizdirler. Bu, normal madde ile çok nadiren etkileşime girdikleri anlamına gelir; aslında, şu anda vücudunuzdan milyarlarca nötrino geçiyor.

Bu yüzden onlara hayalet parçacıklar diyoruz. Ayrıca bu, tespit edilmelerini inanılmaz derecede zorlaştırır. Tespit için bazı yöntemler vardır, Cherenkov nötrino dedektörleri gibi. Ancak bunlar dolaylıdır, nötrinoların kendisinden ziyade geçen nötrinoların etkilerini yakalar.

Bütün bunlar, bu parçacıkların sıfıra yakın kütlesinin ölçülmesinin özellikle zorlu bir görev olduğu anlamına gelir. Ancak bu özelliğin bir ölçümünü elde edebilirsek, Evren hakkında öğrenebileceğimiz çok daha fazla şey olacak. Ne yazık ki, bunu yapmak da çok zor.

KATRIN, bir nötrino kütlesini araştırmak için trityum adı verilen kararsız bir radyoaktif hidrojen izotopunun beta bozunmasından yararlanır. 70 metrelik oda içinde, hassas bir spektrometre ile sonuçlar alınmaya çalışılır.

Nötrinolar hayaletimsi oldukları için onları ölçmek mümkün değil. Ancak fizikçiler, bir parçacığın ve onun anti parçacığının eşit olarak dağılmış kütle ve enerjiye sahip olduğundan oldukça eminler; bu nedenle, elektronların enerjisini ölçerseniz, nötrino enerjisini türetebilirsiniz.

Ekip, 2019'da nötrino kütlesi için 1 elektron voltluk üst limiti bu şekilde elde etti. Bu sonucu iyileştirmek için ekip, diğer radyoaktif bozunma türlerinden kaynaklanan kontaminasyonu azaltmak için yöntemlerle trityum bozunması sayısındaki artışı eşleştirdi.

Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'nden fizikçiler Magnus Schlösser ve Almanya'daki Max Planck Fizik Enstitüsü'nden Susanne Mertens, "Bu zahmetli ve karmaşık çalışma, sonucumuzun çarpık süreçler nedeniyle sistematik ön yanıltıcılarını dışlamanın tek yoluydu" dedi. "Bu büyük mücadeleyi büyük bir kararlılıkla kabul eden ve başarılı olan analiz ekibimizle özellikle gurur duyuyoruz."

Sonuç, bir nötrino ölçümlerinin ilk kez 1 elektron volt eşiğinin altına düştüğünü gösteriyor. Hala tam olarak kesin bir kütle olmasa da bilim ainsanlarının Evrenin fiziksel modellerini iyileştirmelerine izin verecek olan önemli bir sonuçtur.

Bu arada, iş birliği, nötrino kütlesinin ölçümlerini iyileştirmeye yönelik girişimlerde bulunmaya devam edecek.

Araştırmacılar, "Nötrino kütlesinin diğer ölçümleri 2024'ün sonuna kadar devam edecek" dedi. "Bu benzersiz deneyin tüm potansiyelini kullanmak için, sinyal olaylarının istatistiklerini istikrarlı bir şekilde artıracağız ve arka plan oranını daha da azaltmak için sürekli olarak yükseltmeler geliştirip kuracağız."

Sonuçlar Nature Physics'te yayınlandı.