Πώς η Μικροσκοπική Μάζα του Νετρίνου θα μπορούσε να βοηθήσει στην επίλυση μεγάλων μυστηρίων
Επανεκτύπωση με άδεια από Quanta Το ιστολόγιο Abstractions του περιοδικού.
Από όλα τα γνωστά σωματίδια στο σύμπαν, μόνο τα φωτόνια είναι περισσότερα από τα νετρίνα. Παρά την αφθονία τους, ωστόσο, τα νετρίνα είναι δύσκολο να πιαστούν και να επιθεωρηθούν, καθώς αλληλεπιδρούν με την ύλη πολύ ασθενώς. Περίπου χίλια τρισεκατομμύρια από τα φανταστικά σωματίδια περνούν από το σώμα σας κάθε δευτερόλεπτο—με σχεδόν ένα πτώμα ακόμη και από ένα άτομο.
«Το γεγονός ότι είναι πανταχού παρόντα, αλλά δεν ξέρουμε καν πόσο ζυγίζουν, είναι κάπως τρελό», είπε η Ντέμπορα Χάρις, φυσική στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Φέρμι κοντά στο Σικάγο και το Πανεπιστήμιο Γιορκ στο Τορόντο.
Οι φυσικοί προσπάθησαν εδώ και καιρό να ζυγίσουν το φάντασμα. Και τον Σεπτέμβριο, μετά από 18 χρόνια σχεδιασμού, κατασκευής και βαθμονόμησης, το πείραμα με νετρίνο τριτίου της Καρλσρούης (KATRIN) στη νοτιοδυτική Γερμανία ανακοίνωσε τα πρώτα του αποτελέσματα:Διαπίστωσε ότι το νετρίνο δεν μπορεί να ζυγίζει περισσότερο από 1,1 ηλεκτρονιοβολτ (eV) ή περίπου το ένα πεντακοσό χιλιοστό της μάζας του ηλεκτρονίου.
Αυτή η αρχική εκτίμηση, από δεδομένα αξίας μόνο ενός μήνα, βελτιώνεται σε προηγούμενες μετρήσεις χρησιμοποιώντας παρόμοιες τεχνικές που έθεσαν το ανώτατο όριο στη μάζα των νετρίνων στα 2 eV. Καθώς τα δεδομένα του συγκεντρώνονται, το KATRIN στοχεύει να καρφώσει την πραγματική μάζα αντί να δώσει ένα ανώτερο όριο.
Η μάζα είναι ένα από τα πιο βασικά και σημαντικά χαρακτηριστικά των θεμελιωδών σωματιδίων. Το νετρίνο είναι το μόνο γνωστό σωματίδιο του οποίου η μάζα παραμένει μυστήριο. Η μέτρηση της μάζας του θα βοηθούσε στην κατεύθυνση προς νέους νόμους της φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Μοντέλο, την εντυπωσιακά επιτυχημένη αλλά ημιτελή περιγραφή για το πώς αλληλεπιδρούν τα γνωστά σωματίδια και δυνάμεις του σύμπαντος. Η μετρούμενη μάζα του θα χρησιμεύσει επίσης ως έλεγχος στις θεωρίες των κοσμολόγων για το πώς εξελίχθηκε το σύμπαν.
«Ανάλογα με το ποια είναι η μάζα του νετρίνου, μπορεί να οδηγήσει σε πολύ συναρπαστικές στιγμές στην κοσμολογία», είπε η Νταϊάνα Πάρνο, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon και μέλος της ομάδας KATRIN.
Μέχρι πριν από περίπου δύο δεκαετίες, τα νετρίνα —που θεωρητικά είχαν προβλεφθεί το 1930 και ανακαλύφθηκαν το 1956— εικαζόταν ότι ήταν χωρίς μάζα. "Όταν ήμουν στο γυμνάσιο, τα σχολικά βιβλία μου έλεγαν ότι τα νετρίνα δεν είχαν μάζα", είπε ο Χάρις.
Αυτό άλλαξε όταν, σε μια ανακάλυψη που θα κέρδιζε το βραβείο Νόμπελ 2015, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι τα νετρίνα μπορούσαν να μεταμορφωθούν από το ένα είδος στο άλλο, ταλαντευόμενα μεταξύ τριών καταστάσεων «γεύσης»:ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ. Αυτές οι ταλαντώσεις μπορούν να συμβούν μόνο εάν τα νετρίνα έχουν επίσης τρεις πιθανές καταστάσεις μάζας, όπου κάθε γεύση έχει ξεχωριστές πιθανότητες να βρίσκεται σε καθεμία από τις τρεις καταστάσεις μάζας. Οι καταστάσεις μάζας ταξιδεύουν στο διάστημα με διαφορετικό τρόπο, οπότε μέχρι τη στιγμή που ένα νετρίνο πηγαίνει από το σημείο Α στο σημείο Β, αυτός ο συνδυασμός πιθανοτήτων θα έχει αλλάξει και ένας ανιχνευτής θα μπορούσε να μετρήσει μια διαφορετική γεύση.
Εάν υπάρχουν τρεις διαφορετικές καταστάσεις μάζας, τότε δεν μπορούν να είναι όλες μηδέν - επομένως, τα νετρίνα έχουν μάζα. Σύμφωνα με πρόσφατα δεδομένα ταλάντωσης νετρίνων (που αποκαλύπτουν τις διαφορές μεταξύ των καταστάσεων μάζας και όχι των πραγματικών τιμών τους), εάν η ελαφρύτερη κατάσταση μάζας είναι μηδέν, το βαρύτερο πρέπει να είναι τουλάχιστον 0,0495 eV.
Ωστόσο, είναι τόσο ελαφρύ σε σύγκριση με τη μάζα άλλων σωματιδίων που οι φυσικοί δεν είναι σίγουροι πώς τα νετρίνα αποκτούν τόσο μικροσκοπικές μάζες. Άλλα σωματίδια στο Καθιερωμένο Μοντέλο αποκτούν μάζα αλληλεπιδρώντας με το πεδίο Higgs, ένα πεδίο ενέργειας που γεμίζει όλο το διάστημα και σέρνει πάνω σε τεράστια σωματίδια. Αλλά για τα νετρίνα, «η μάζα είναι τόσο μικρή, χρειάζεστε κάποια πρόσθετη θεωρία για να το εξηγήσετε», είπε ο Πάρνο.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα νετρίνα αποκτούν μάζα μπορεί να επιλύσει άλλα, φαινομενικά σχετικά μυστήρια, όπως το γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη παρά αντιύλη στο σύμπαν. Οι ανταγωνιστικές θεωρίες για τον μηχανισμό παραγωγής μάζας προβλέπουν διαφορετικές τιμές για τις τρεις καταστάσεις μάζας. Ενώ τα πειράματα ταλάντωσης νετρίνων έχουν μετρήσει τις διαφορές μεταξύ των καταστάσεων μάζας, πειράματα όπως το KATRIN έχουν ένα είδος μέσου όρου από τα τρία. Ο συνδυασμός των δύο τύπων μετρήσεων μπορεί να αποκαλύψει την τιμή κάθε κατάστασης μάζας, ευνοώντας ορισμένες θεωρίες μάζας νετρίνων έναντι άλλων.
Η μάζα των νετρίνων είναι επίσης κοσμικής σημασίας. Παρά τη μικροσκοπική μάζα τους, τόσα πολλά νετρίνα γεννήθηκαν κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης που η συλλογική τους βαρύτητα επηρέασε τον τρόπο με τον οποίο όλη η ύλη στο σύμπαν συγκεντρώθηκε σε αστέρια και γαλαξίες. Περίπου ένα δευτερόλεπτο μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, τα νετρίνα πετούσαν γύρω με σχεδόν ελαφριά ταχύτητα—τόσο γρήγορα που διέφυγαν από τη βαρυτική έλξη άλλης ύλης. Στη συνέχεια, όμως, άρχισαν να επιβραδύνουν, γεγονός που τους επέτρεψε να βοηθήσουν στο μαντρί άτομα, αστέρια και γαλαξίες. Το σημείο στο οποίο τα νετρίνα άρχισαν να επιβραδύνουν εξαρτάται από τη μάζα τους. Τα βαρύτερα νετρίνα θα είχαν επιβραδυνθεί νωρίτερα και θα βοήθησαν να γίνει το σύμπαν πιο πυκνό.
Μετρώντας την κοσμική συσσωμάτωση, οι κοσμολόγοι μπορούν να συμπεράνουν τη μάζα του νετρίνου. Αλλά αυτή η έμμεση μέθοδος βασίζεται στην υπόθεση ότι τα μοντέλα του Κόσμου είναι σωστά, οπότε αν δώσει μια διαφορετική απάντηση από τις άμεσες μετρήσεις της μάζας των νετρίνων, αυτό μπορεί να υποδηλώνει ότι οι κοσμολογικές θεωρίες είναι λάθος.
Μέχρι στιγμής, η έμμεση κοσμολογική προσέγγιση ήταν πιο ευαίσθητη από τις άμεσες μετρήσεις μάζας από πειράματα όπως το KATRIN. Πρόσφατα κοσμολογικά δεδομένα από τον δορυφόρο Planck υποδηλώνουν ότι το άθροισμα των τριών καταστάσεων μάζας νετρίνων δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από 0,12 eV και τον Αύγουστο, μια άλλη ανάλυση κοσμολογικών παρατηρήσεων βρήκε ότι η ελαφρύτερη μάζα πρέπει να είναι μικρότερη από 0,086 eV. Όλα αυτά πέφτουν πολύ κάτω από το άνω όριο του KATRIN, επομένως δεν υπάρχει ακόμη αντίφαση μεταξύ των δύο προσεγγίσεων. Αλλά καθώς το KATRIN συλλέγει περισσότερα δεδομένα, ενδέχεται να προκύψουν αποκλίσεις.
Το πολυαναμενόμενο πείραμα KATRIN ζυγίζει τα νετρίνα χρησιμοποιώντας τρίτιο, ένα βαρύ ισότοπο υδρογόνου. Όταν το τρίτιο υφίσταται βήτα διάσπαση, ο πυρήνας του εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο με γεύση ηλεκτρονίων. Μετρώντας την ενέργεια των πιο ενεργητικών ηλεκτρονίων, οι φυσικοί μπορούν να συναγάγουν την ενέργεια —και επομένως τη μάζα (ή πραγματικά, έναν σταθμισμένο μέσο όρο των τριών μαζών που συμβάλλουν)— του νετρίνου ηλεκτρονίων.
Εάν το KATRIN βρει μάζα περίπου 0,2 ή 0,3 eV, οι κοσμολόγοι θα δυσκολευτούν να συμβιβάσουν τις παρατηρήσεις τους, είπε η Μαριλένα Λοβέρντε, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο Stony Brook. Μια πιθανή εξήγηση θα ήταν κάποιο νέο φαινόμενο που προκαλεί την κοσμολογική επίδραση της μάζας του νετρίνου να εξασθενεί με την πάροδο του χρόνου. Για παράδειγμα, ίσως το νετρίνο διασπάται σε ακόμη ελαφρύτερα άγνωστα σωματίδια, των οποίων οι ταχύτητες σχεδόν φωτός τα καθιστούν ανίκανα να συσσωματώσουν την ύλη μαζί. Ή ίσως ο μηχανισμός που δίνει μάζα στα νετρίνα έχει αλλάξει κατά τη διάρκεια της κοσμικής ιστορίας.
Εάν, από την άλλη πλευρά, η μάζα των νετρίνων είναι κοντά σε αυτό που προβλέπουν οι κοσμολογικές παρατηρήσεις, το KATRIN δεν θα είναι αρκετά ευαίσθητο για να τη μετρήσει. Μπορεί να ζυγίζει νετρίνα μόνο μέχρι 0,2 eV. Εάν τα νετρίνα είναι ελαφρύτερα από αυτό, οι φυσικοί θα χρειαστούν πιο ευαίσθητα πειράματα για να κλείσουν τη μάζα τους και να επιλύσουν τα ζητήματα της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας. Τρία δυνητικά πιο ευαίσθητα έργα — το Project 8, το Electron Capture στο Holmium και το HOLMES — λαμβάνουν ήδη δεδομένα με όργανα proof-of-concept.
Ο Μάρκους Γου είναι επιστημονικός δημοσιογράφος με έδρα την περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο. Το έργο του εμφανίστηκε στο WIRED, New Scientist, National Geographic, Smithsonian, NPR, το BBC και άλλες εκδόσεις.
