Hledání hmotnosti neutrina

Částice, o níž se kdysi předpokládalo, že je nehmotná, hmotnost má. Je pravděpodobně 500 000 krát menší než elektron, případně ještě menší. Nový horní limit hmotnosti neutrina je 1,1 elektronvoltu. (Elektronvolt je kinetická energie, kterou získá elektron urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. V subatomární fyzice se používá k vyjádření hmotnosti. Podle teorie relativity odpovídá každé hmotnosti množství energie podle vztahu E=mc², kde c je rychlost světla ve vakuu).

Podle Christiana Weinheimera z University v Műnsteru (Německo) jsou neutrina ve vesmíru bilionkrát rozšířenější než atomy, takže k určení celkové hmotnosti vesmíru může přispět i nepatrné neutrino. Identifikace tohoto aspektu neutrina pomůže nejenom poznat strukturu raného vesmíru, ale pomůže rovněž vědcům lépe pochopit fyziku v subatomární oblasti.

Weinheimer a kol. uskutečnili měření na obřím elektronovém spektrometru vysokém 24 m a širokém 10 m v rámci projektu KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment). Analyzovali beta rozpad radioaktivního izotopu vodíku (tritia), což je proces, kdy se simultánně emituje elektron a neutrino. Měřením energie uvolněných elektronů byli schopni odhadnout hmotnost neutrina s větší přesností, než bylo dříve možné. Zde jsou slova vědců po skončení měření: Weinheimer: „Jsme velmi pyšní.“ Melissa Uchida z University of Cambridge: „Je to velmi, velmi vzrušující. Toto je to nejpřesnější měření, které se až dosud provedlo. Budeme konečně schopni vyluštit hádanku, jak vznikl vesmír!“

Stěžejní experiment

Dlouho připravovaný a očekávaný vědecký experiment v KATRIN se konal na jaře roku 2019 a 16. září byly konečně prezentovány výsledky analýzy. Byla nalezena horní hranice pro hmotnost neutrina 1,1 eV. Možná ještě důležitější bylo prokázání, že složitý experiment funguje správně. „Nejdůležitějším výsledkem tohoto prvního čtyřtýdenního experimentu KATRIN je to, že experiment funguje, zahájil měření hmotnosti neutrin a my data chápeme. V blízké budoucnosti přijde mnohem více,“ řekl Christian Weinheimer.

Význam výsledku pro kosmologii a fyziku částic

Na rozdíl od analýz kosmologických dat nebo hledání dvojitého beta rozpadu bez neutrin je výsledek KATRIN nezávislý na laboratorním modelu. Omezuje velikost neutrinové hmoty a podíl neutrin na (horké) temné hmotě s odpovídajícími důsledky pro tvorbu struktury vesmíru. Samozřejmě víme, že v kosmologických modelech stále ještě není zcela uspokojivá situace - hlavní část hmoty vesmíru je označovaná jako studená temná hmota, ale dosud jsme neobjevili povahu temné hmoty. A v kosmologických datech stále existují určité pochybnosti, např. přesná hodnota Hubbleovy konstanty. „Našeho přelomového výsledku jsme dosáhli po pouhých 4 týdnech měření. Chystáme se měřit 1 000 dnů, abychom se dopracovali k ještě přesnějšímu,“ říká Weinheimer. „Bohužel to nejde rychle. Hlavním problémem projektu KATRIN je udržet celý experiment velmi stabilní po dlouhou dobu: vyžaduje se provozování bezokénkového plynného tritiového zdroje beze změny na mililitru vzhledem k teplotě, vstupnímu tlaku plynu a koncentraci tritia. Hlavní spektrometr musí pracovat při extrémně dobrém vakuu (1×10^-9 Pa) a při ultrastabilním vysokém napětí s přesností na jednu miliontinu voltu. Mnoho supravodivých magnetů musí běžet hladce a stabilně, stejně jako náš elektronový detektor. V zásadě jsme prokázali, že splňujeme všechny tyto požadavky, ale nyní musejí všechny složité komponenty pracovat takto stabilním způsobem nepřetržitě roky! Chtěl bych zdůraznit, že splnění uvedených požadavků nebylo vůbec snadné. Zbývají ještě další problémy: další snížení pozadí a dostatečná kontrola plazmatických vlastností. Tady jsme na dobré cestě.“

Prohlédněte si videa z roku 2006, kdy se obří 200 tunový spektrometr pro experiment KATRIN stěhoval do výzkumného ústavu https://www.youtube.com/watch?v=ODu3GVpqD1M a nebo https://www.youtube.com/watch?time_continue=40&v=iqkpjEI-UMo&feature=emb_logo

Zdroje:

Layal Liverpool: Mystery of the mass of the neutrino could soon be solved. New Scientist, 2019, č. 3258, s. 10

https://www.appec.org/news/first-results-of-katrin-limit-on-the-neutrino-mass