Neutrino masės matavimo kaprizai. Mokslininkams pagaliau pavyko prisiartinti prie šio tikslo

• Fizikai, galima sakyti, apšvietė esminę trūkstamą neutrino masės reikšmę.
• Stipriai magnetiškas elementas holmis buvo ištirtas masės spektroskopu.
• Galimos 𝑄 vertės spektro sumažinimas 50 kartų reiškia daug siauresnę galimų neutrino masės reikšmių sritį.

Mokslininkų grupei pavyko drastiškai pagerinti mažų, kone bemasių neutrinų matavimus, kas patikslino rezultatus 50 kartų. Didelė komanda naudojo Max Planck Branduolinės fizikos institute Vokietijoje esantį PENTATRAP instrumentą. Iš pradžių manyta, kad neutrinai bemasiai, ir mokslininkai toliau stengėsi išsiaiškinti jų tikrą masyvumą — keistas žodis, kuris šiame kontekste paprasčiausiai reiškia, kad kažkas iš viso turi masę.

Šiame eksperimente buvo naudojamas retųjų žemių metalo, holmio, ilgo skilimo radioaktyvus izotopas ¹⁶³Ho. Anksčiau kiti mokslininkai pasiūlė šio izotopo kandidatūrą stebėti elektronų sugavimą kaip neutrino masės matavimo analogą. Vykstant elektronų sugavimui, sunkesnis atomo branduolys pagauna vieną iš vidinių orbitalių elektronų, sukurdamas elektrono neutriną, kuris iš atomo išneša šio apsikeitimo metu „prarastą“ energiją.

Elektrono pagavimas yra viena iš radioaktyviojo skilimo formų, kai individualūs atomai skyla, spinduliuodami savo daleles. Paplitę radioaktyviojo skilimo tipai yra alfa, beta, ir gama, o elektronų pagavimas yra arba paslaptingas ketvirtas arba beta skilimo potipis (nelygu, ko paklausite). Kadangi tai vyksta branduolyje, jų prigimtis yra branduolinė.

Tad, siekdami išmatuoti ar ekstrapoliuoti neutrino masę — kuri neatsiejamai susijusi su branduoline reakcija — mokslininkai ėmėsi vadinamosios 𝑄 vertės. 𝑄 vertė yra radioaktyvaus irimo energijos rodiklis, matuojamas kalorimetru (kalorimetrija yra cheminių ir branduolinių reakcijų metu vykstančio šilumos perdavimo matavimas). Ir, kaip vienas iš konkretesnių neutrino masės matavimo parametrų, 𝑄 vertė yra svarbi.

„Nepriklausomai išmatuota šio proceso 𝑄 vertė yra gyvybiškai svarbi įvertinant sisteminį neutrino masės nustatymo neapibrėžtumą,“ rašė tyrėjai straipsnyje, publikuotame Nature Physics. Tikslesnė 𝑄 verčių sritis gali sumažinti mūsų idėjos apie neutrino masę variatyvumą. Įsivaizduokite, norite suskaičiuoti, kiek jūsų automobilis vidutiniškai nuvažiuoja pilnu baku, bet išmatuojate, kad automobilis su galonu degalų nuvažiuoja nuo 15 iki 45 mylių. Jei sumažintumėte šį langą bent per pusę, tikrąjį kuro suvartojimą žinotumėte daug geriau.

Taigi, kaip galima išmatuoti vieno elektrono ir atitinkamo neutrino išskirtą energiją? Tam pasitarnauja PENTATRAP, instrumentas, sukurtas būtent matuoti neutrinų reakcijų 𝑄 vertę. Tai yra masės spektrometras, rezultatą pateikiantis blyksniais, rodančiais masės santykį su bandinio krūviu. Tuomet mokslininkai palygina rezultatus su žinomų dalelių ir molekulių formomis. PENTATRAP naudojami Penningo spąstai, kurie yra magnetiniai laukai, galintys vienoje vietoje išlaikyti krūvį turinčias daleles. PENTATRAP viduje, kaip nesunku suprasti iš pavadinimo, yra penki Penningo spąstai.

Kadangi vienas iš pagrindinių PENTATRAP kūrimo tikslų buvo 𝑄 vertės neutrino masei nustatymas, nieko keisto, kad šio neseniai atlikto eksperimento komandai pavyko 𝑄 vertę nustatyti daug tiksliau, nei kitoms tyrėjų komandoms. Bet netgi šiame kontekste gauti rezultatai yra dramatiški. PENTATRAP eksperimento 𝑄 vertės rezultatai, kurie yra 50 kartų tikslesni už ankstesnius matavimus — mūsų kuro sąnaudų analogijoje, „įvairovė“ sumažėjo nuo 25-50 mylių iki 34-34,5.

„Dabar galėsime nustatyti elektrono neutrino masę mažesnio, nei elektronvolto lygiu iš [¹⁶³Ho] elektrono sugavimo analizės,“ apibendrino tyrėjų komanda. (Elektronvoltas yra vieno elektrono krūvio matas.) Tikrai žingsnis teisinga kryptimi.

Caroline Delbert
www.popularmechanics.com