Mesin mengira elektron yang besar secara tidak langsung telah menghasilkan pengukuran zarah yang diketahui dalam fizik - dan menambah bukti untuk masalah gelap.
Pengukuran itu adalah hasil pertama dari usaha antarabangsa untuk mengukur jisim neutrino - zarah yang mengisi alam semesta kita dan menentukan strukturnya, tetapi yang hampir tidak dapat kita ketahui. Neutrinos, mengikut eksperimen Karlsruhe Tritium Neutrino yang berpangkalan di Jerman (KATRIN), tidak mempunyai lebih daripada 0.0002% jisim elektron. Jumlah itu begitu rendah sehingga walaupun kita menilai semua neutrino di alam semesta, mereka tidak dapat menjelaskan jisimnya yang hilang. Dan fakta itu menambah timbunan bukti untuk kewujudan materi gelap.
KATRIN pada dasarnya adalah mesin yang sangat besar untuk mengira elektron super-tinggi tenaga yang meletup daripada sampel tritium - bentuk hidrogen radioaktif. dengan satu proton dan dua neutron dalam setiap atom. Tritium tidak stabil, dan neutronnya mereput ke dalam pasangan elektron-neutrino. KATRIN mencari elektron dan bukan neutrino kerana neutrinos terlalu lemah untuk mengukur dengan tepat. Dan mesin itu menggunakan gas tritium, menurut Hamish Robertson, ahli sains KATRIN dan profesor emeritus di University of Washington, kerana ia adalah satu-satunya sumber neutrino elektron yang cukup mudah untuk mendapatkan pengukuran jisim yang baik dari.
Neutrinos adalah kurang mustahil untuk mengukur dengan tepat kerana mereka mempunyai jisim yang begitu kecil dan cenderung untuk melangkau dari pengesan tanpa berinteraksi dengan mereka. Jadi untuk mengetahui jisim neutrino, Robertson memberitahu Live Science, KATRIN mengira elektron yang paling bertenaga dan berfungsi mundur dari nombor itu untuk menyimpulkan jisim neutrino. Hasil pertama dari KATRIN telah diumumkan, dan para penyelidik sampai pada kesimpulan awal: Neutrinos memiliki massa tidak lebih tinggi dari 1,1 volt elektron (eV).
Volt elektron adalah unit fizik massa dan tenaga yang digunakan apabila bercakap tentang perkara-perkara terkecil di alam semesta. (Pada skala zarah asas, tenaga dan jisim diukur menggunakan unit yang sama, dan pasangan neutrino-elektron perlu mempunyai tahap tenaga yang sama dengan neutron sumber mereka.) Boson Higgs, yang meminjamkan zarah-zarah lain massa mereka, mempunyai Jisim sebanyak 125 bilion EV. Proton, zarah-zarah di pusat atom, mempunyai massa kira-kira 938 juta eV. Elektron adalah hanya 510,000 eV sahaja. Eksperimen ini mengesahkan bahawa neutrinos adalah sangat kecil.
KATRIN adalah mesin yang sangat besar, tetapi kaedahnya mudah, kata Robertson. Ruang pertama peranti penuh dengan tritium gas, yang neutron secara semula jadi merosakkan ke dalam elektron dan neutrino. Pakar fizikal sudah tahu berapa banyak tenaga yang terlibat apabila penghancuran neutron. Sesetengah tenaga diubah menjadi jisim neutrino dan jisim elektron. Dan yang lain akan dicurahkan ke dalam zarah-zarah yang baru dicipta, dengan sangat mendiktekan seberapa cepat mereka pergi. Biasanya, tenaga tambahan itu diagihkan secara merata antara elektron dan neutrino. Tetapi kadang-kadang kebanyakan atau semua tenaga yang tersisa akan dibuang ke dalam satu zarah atau yang lain.
Dalam kes itu, semua tenaga yang ditinggalkan selepas neutrino dan elektron dibentuk dibuang ke dalam pasangan elektron, membentuk elektron tenaga tinggi, Robertson berkata. Ini bermakna jisim neutrino boleh dikira: Ia adalah tenaga yang terlibat dalam kerosakan neutron mengurangkan jisim elektron dan tahap maksimum elektron dalam eksperimen.
Ahli fizik yang merancang percubaan tidak cuba mengukur neutrinos; mereka dibenarkan untuk melepaskan mesin yang tidak disentuh. Sebaliknya, eksperimen itu melancarkan elektron ke dalam ruang vakum gergasi, yang dikenali sebagai spektrometer. Arus elektrik kemudian mewujudkan medan magnet yang sangat kuat yang hanya elektron tenaga tinggi dapat melewati. Di hujung ruang itu ialah peranti yang menghitung berapa elektron membuatnya melalui medan. Oleh kerana KATRIN perlahan-lahan meningkatkan kekuatan medan magnet, Robertson berkata, jumlah elektron semakin berkurang - hampir seolah-olah ia akan pudar sehingga ke sifar. Tetapi pada hujung spektrum tahap tenaga elektron, sesuatu berlaku.
"Spektrum itu mati tiba-tiba, sebelum anda mencapai titik akhir, kerana jisim neutrino tidak boleh dicuri oleh elektron. Ia selalu terpaksa ditinggalkan untuk neutrino," kata Robertson. Jisim neutrino mestilah kurang daripada jumlah tenaga kecil yang hilang dari akhir spektrum tersebut. Dan selepas beberapa minggu runtime, eksperimeter mengecilkan nombor itu kepada kira-kira separuh daripada jumlah yang pernah diketahui ahli fizik.
Idea bahawa neutrinos mempunyai massa sama sekali adalah revolusioner; Model Standard, teori fisika utama yang menggambarkan dunia subatomik, sekali menegaskan neutrinos tidak mempunyai jisim sama sekali, Robertson menegaskan. Setakat 1980-an, para penyelidik Rusia dan Amerika cuba untuk mengukur massa neutrino, tetapi keputusan mereka adalah masalah dan tidak tepat. Pada satu ketika, penyelidik Rusia menetap jisim neutrino tepat pada 30 eV - nombor yang bagus yang akan menunjukkan neutrinos sebagai pautan yang hilang yang akan menjelaskan struktur graviti besar alam semesta, mengisi semua jisim yang hilang - tetapi satu yang ternyata salah.
Robertson dan rakan-rakannya mula bekerja dengan tritium gas ketika itu, setelah mereka sedar bahawa bahan radioaktif yang lemah menawarkan sumber yang paling tepat untuk mereput neutron yang tersedia untuk sains.
"Ini telah lama dicari," kata Robertson. Pengukuran Rusia 30 eV sangat menarik kerana ia akan menutup alam semesta secara graviti dan masih menarik untuk sebab itu. Neutrinos memainkan peranan besar dalam kosmologi, dan mereka mungkin membentuk struktur skala besar alam semesta. "
Semua zarah-zarah pengsan yang terbang mengelilingi semua perkara dengan graviti mereka, dan mengambil dan meminjamkan tenaga dari semua perkara lain. Walaupun sebagai nombor massa yang dipenuhi, Robertson berkata, peranan yang tepat ini bermain zarah kecil semakin rumit.
Nombor 1,1 eV, kata penyelidik, menarik kerana ia merupakan nombor jisim neutrino yang diperolehi secara eksperimen yang tidak cukup tinggi untuk menjelaskan struktur seluruh alam semesta sendiri.
"Ada perkara yang bukan apa yang kita tahu, ada perkara gelap ini," dan ia tidak boleh dibuat daripada neutrino yang kita tahu, katanya.
Jadi ini bilangan kecil dari ruang vakum besar di Jerman sekurang-kurangnya menambah kepada timbunan bukti bahawa alam semesta mempunyai unsur-unsur yang fizik masih tidak faham.
