Model Standard Fizik Partikel adalah salah satu prestasi sains yang paling mengagumkan. Ini adalah usaha yang tepat dan tepat untuk memahami dan menggambarkan tiga daripada empat kekuatan asas Alam Semesta: daya elektromagnetik, kekuatan nuklear yang kuat, dan kekuatan nuklear yang lemah. Graviti tidak ada kerana sejauh ini, memasukkannya ke dalam Model Standard sangat mencabar.
Tetapi ada beberapa lubang pada Model Piawai, dan salah satunya melibatkan jisim neutrino.
Keberadaan neutrino pertama kali dicadangkan pada tahun 1930, kemudian dikesan pada tahun 1956. Sejak itu, ahli fizik telah mengetahui bahawa terdapat tiga jenis neutrino, dan banyak dan sukar difahami. Hanya kemudahan khas yang dapat mengesannya kerana jarang berinteraksi dengan perkara lain. Terdapat beberapa sumber untuk mereka, dan beberapa di antaranya telah melalui ruang angkasa sejak Big Bang, tetapi kebanyakan neutrino dekat Bumi berasal dari Matahari.
Model Piawai meramalkan bahawa neutrino tidak mempunyai jisim, seperti foton. Tetapi ahli fizik telah menemui bahawa ketiga-tiga jenis neutrino dapat berubah menjadi satu sama lain semasa mereka bergerak. Menurut ahli fizik, mereka hanya boleh melakukan itu sekiranya mereka mempunyai jisim.
Tetapi berapa banyak jisim? Itu adalah persoalan yang memikat ahli fizik zarah. Dan menjawab soalan itu adalah sebahagian daripada apa yang mendorong para saintis di KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment.)
"Penemuan ini oleh kerjasama KATRIN mengurangkan jisim massa sebelumnya untuk neutrino dengan faktor dua ..."
HAMISH ROBERTSON, KATRIN SAINTIS DAN EMERITUS PROFESOR FIZIK DI UNIVERSITI WASHINGTON.
Sepasukan penyelidik telah menghasilkan sebahagian jawapannya: jisim neutrino tidak boleh lebih besar daripada 1,1 elektron volt (eV.) Ini adalah pengurangan had atas jisim neutrino hampir 1 eV; dari 2 eV hingga 1.1 eV. Dengan membina eksperimen sebelumnya yang menetapkan had jisim bawah pada 0,02 eV, para penyelidik ini telah menetapkan julat baru untuk jisim neutrino. Ini menunjukkan bahawa neutrino mempunyai jisim elektron kurang dari 1 / 500,000. Ini adalah langkah penting dalam kemajuan Model Piawai.
"Mengetahui jisim neutrino akan membolehkan para saintis menjawab soalan asas dalam kosmologi, astrofizik dan fizik zarah ..."
Hamish Robertson, saintis KATRIN dan profesor emeritus fizik di University of Washington.
Penyelidik di sebalik karya ini berasal dari 20 institusi penyelidikan yang berlainan di seluruh dunia. Mereka bekerjasama dengan KATRIN di Institut Teknologi Karlsruhe di Jerman. Kemudahan KATRIN mempunyai spektrometer resolusi tinggi 10 meter yang membolehkannya mengukur tenaga elektron dengan tepat.
Pasukan KATRIN menyampaikan keputusan mereka pada persidangan Topik 2019 dalam Astropartikel dan Fizik Bawah Tanah di Toyama, Jepun, pada 13 September.
"Mengetahui jisim neutrino akan membolehkan para saintis menjawab soalan asas dalam kosmologi, astrofizik dan fizik zarah, seperti bagaimana alam semesta berevolusi atau fisika apa yang ada di luar Model Standard," kata Hamish Robertson, seorang saintis KATRIN dan emeritus profesor fizik di Universiti Washington. "Penemuan ini oleh kolaborasi KATRIN mengurangkan jisim massa sebelumnya untuk neutrino dengan faktor dua, meletakkan kriteria yang lebih ketat mengenai jisim neutrino itu sebenarnya, dan memberikan jalan ke depan untuk mengukur nilainya secara pasti."
Neutrinos sukar dikesan, walaupun banyak. Hanya foton yang lebih banyak. Seperti namanya, mereka neutral elektrik. Ini menjadikan pengesanan mereka sangat sukar. Terdapat observatorium neutrino yang tenggelam jauh di dalam ais Antartika, dan juga di dalam periuk api yang terbengkalai. Mereka sering menggunakan air berat untuk menarik neutrino untuk berinteraksi. Apabila neutrino berinteraksi, ia menghasilkan radiasi Cherenkov yang dapat diukur.
"Jika anda mengisi sistem surya dengan timbal hingga lima puluh kali di luar orbit Pluto, kira-kira separuh dari neutrino yang dipancarkan oleh matahari masih akan meninggalkan sistem suria tanpa berinteraksi dengan plumbum itu," kata Robertson.
Sejarah neutrino telah berkembang dari masa ke masa dengan eksperimen seperti KATRIN. Pada asalnya, Model Piawai meramalkan neutrino tidak akan mempunyai jisim. Tetapi pada tahun 2001, dua pengesan yang berbeza menunjukkan jisimnya tidak sifar. Hadiah Nobel Fizik 2015 diberikan kepada dua saintis yang menunjukkan bahawa neutrino dapat berayun antara jenis, menunjukkan bahawa mereka mempunyai jisim.
Kemudahan KATRIN mengukur jisim neutrino secara tidak langsung. Ia berfungsi dengan memantau kerosakan tritium, yang merupakan bentuk hidrogen yang sangat radioaktif. Semasa isotop tritium mereput, ia mengeluarkan sepasang zarah: elektron dan anti-neutrino. Bersama-sama, mereka berkongsi 18,560 eV tenaga.
Dalam kebanyakan kes, sepasang zarah berkongsi 18,560 eV sama. Tetapi dalam keadaan yang jarang berlaku, elektron babi sebahagian besar tenaga, meninggalkan neutrino dengan sangat sedikit. Kejadian yang jarang berlaku inilah yang menjadi tumpuan para saintis.
Oleh kerana E = mC2, sejumlah kecil tenaga yang tersisa untuk neutrino dalam kes-kes yang jarang berlaku juga harus sama dengan jisimnya. Kerana KATRIN mempunyai kekuatan untuk mengukur elektron dengan tepat, ia juga dapat menentukan jisim neutrino.
"Menyelesaikan massa neutrino akan membawa kita ke dunia baru yang berani untuk mencipta Model Piawai baru," kata Peter Doe, seorang profesor penyelidikan fizik dari University of Washington yang bekerja di KATRIN.
Model Piawai baru yang disebutkan oleh Doe ini berpotensi menjelaskan perkara gelap, yang merangkumi sebahagian besar perkara di Alam Semesta. Usaha seperti KATRIN suatu hari nanti dapat mengesan jenis neutrino keempat yang disebut neutrino steril. Sejauh ini jenis keempat ini hanya dugaan, tetapi ia adalah calon bahan gelap.
"Neutrinos adalah zarah kecil yang aneh," kata Doe. "Mereka ada di mana-mana, dan ada banyak yang dapat kita pelajari setelah menentukan nilai ini."
Menunjukkan bahawa neutrino mempunyai jisim, dan membatasi julat jisim itu, kedua-duanya penting. Tetapi ahli fizik zarah masih tidak tahu bagaimana mereka memperoleh jisim mereka. Mungkin berbeza dengan cara zarah lain memperoleh zarahnya.
Hasil seperti ini dari KATRIN membantu menutup lubang dalam Model Piawai, dan dalam keseluruhan pemahaman kita mengenai Alam Semesta. Alam Semesta penuh dengan neutrino kuno dari Big Bang, dan setiap kemajuan dalam jumlah neutrino membantu kita memahami bagaimana Alam Semesta terbentuk dan berkembang.
Lagi:
- Siaran Akhbar: KATRIN memotong anggaran jisim untuk neutrino yang sukar difahami menjadi separuh
- Institut Teknologi Karlsruhe: KATRIN
- CERN: Model Piawai
- Majalah Symmetry: Lima Misteri yang tidak dapat dijelaskan oleh Model Piawai
- Berita MIT: 3Q: Para saintis mencukur anggaran jisim neutrino pada separuh
