Eine große Elektronenzählmaschine hat indirekt eine Messung des rutschigsten bekannten Teilchens in der Physik durchgeführt - und den Beweis für dunkle Materie ergänzt.
Diese Messung ist das erste Ergebnis einer internationalen Anstrengung, die Masse von Neutrinos zu messen - Teilchen, die unser Universum füllen und seine Struktur bestimmen, die wir aber kaum nachweisen können. Neutrinos haben nach dem deutschen Karlsruher Tritiumneutrino-Experiment (KATRIN) nicht mehr als 0,0002% der Masse eines Elektrons. Diese Zahl ist so niedrig, dass selbst wenn wir alle Neutrinos im Universum zusammenzählen würden, sie ihre fehlende Masse nicht erklären könnten. Und diese Tatsache trägt zu den Beweisen für die Existenz der Dunklen Materie bei.
KATRIN ist im Grunde eine sehr große Maschine zum Zählen der hochenergetischen Elektronen, die aus einer Tritiumprobe - einer radioaktiven Form von Wasserstoff - herausplatzen. mit einem Proton und zwei Neutronen in jedem Atom. Tritium ist instabil und seine Neutronen zerfallen in Elektron-Neutrino-Paare. KATRIN sucht nach den Elektronen und nicht nach den Neutrinos, weil die Neutrinos zu schwach sind, um sie genau zu messen. Und die Maschine verwendet Tritiumgas, so Hamish Robertson, ein KATRIN-Wissenschaftler und emeritierter Professor an der University of Washington, weil es die einzige Elektronenneutrinoquelle ist, die einfach genug ist, um eine gute Massenmessung zu erhalten.
Neutrinos sind mehr oder weniger unmöglich, selbst genau zu messen, weil sie so wenig Masse haben und dazu neigen, aus Detektoren herauszuspringen, ohne mit ihnen zu interagieren. Um die Masse der Neutrinos herauszufinden, sagte Robertson gegenüber Live Science, zählt KATRIN die energiereichsten Elektronen und arbeitet rückwärts von dieser Zahl, um die Masse des Neutrinos abzuleiten. Die ersten Ergebnisse von KATRIN wurden bekannt gegeben, und die Forscher kamen zu einem frühen Schluss: Neutrinos haben eine Masse von nicht mehr als 1,1 Elektronenvolt (eV).
Elektronenvolt sind die Einheiten von Masse und Energie, die Physiker verwenden, wenn sie über die kleinsten Dinge im Universum sprechen. (Auf der Skala der Grundpartikel werden Energie und Masse mit denselben Einheiten gemessen, und die Neutrino-Elektronen-Paare müssen kombinierte Energieniveaus aufweisen, die ihrem Quellneutron entsprechen.) Das Higgs-Boson, das anderen Partikeln ihre Masse verleiht, hat a Masse von 125 Milliarden EV. Protonen, die Teilchen im Zentrum der Atome, haben Massen von etwa 938 Millionen eV. Elektronen sind nur 510.000 eV. Dieses Experiment bestätigt, dass Neutrinos unglaublich klein sind.
KATRIN ist eine sehr große Maschine, aber ihre Methoden sind unkompliziert, sagte Robertson. Die erste Kammer des Geräts ist voll von gasförmigem Tritium, dessen Neutronen auf natürliche Weise in Elektronen und Neutrinos zerfallen. Physiker wissen bereits, wie viel Energie beim Zerfall eines Neutrons anfällt. Ein Teil der Energie wird in die Masse des Neutrinos und die Masse des Elektrons umgewandelt. Und der Rest wird in diese neu geschaffenen Partikel gegossen, was sehr grob vorschreibt, wie schnell sie gehen. Normalerweise wird diese zusätzliche Energie ziemlich gleichmäßig zwischen dem Elektron und dem Neutrino verteilt. Aber manchmal wird der größte Teil oder die gesamte verbleibende Energie in das eine oder andere Teilchen abgelassen.
In diesem Fall wird die gesamte Energie, die nach der Bildung des Neutrinos und des Elektrons übrig bleibt, in den Elektronenpartner abgelassen und bildet ein hochenergetisches Elektron, sagte Robertson. Das heißt, die Masse des Neutrinos kann berechnet werden: Es ist die Energie, die am Neutronenzerfall beteiligt ist, abzüglich der Masse des Elektrons und des maximalen Energieniveaus der Elektronen im Experiment.
Die Physiker, die das Experiment entworfen haben, haben nicht versucht, die Neutrinos zu messen. Diese dürfen unberührt aus der Maschine entkommen. Stattdessen leitet das Experiment die Elektronen in eine riesige Vakuumkammer, das sogenannte Spektrometer. Ein elektrischer Strom erzeugt dann ein sehr starkes Magnetfeld, durch das nur die Elektronen mit der höchsten Energie hindurchtreten können. Am anderen Ende dieser Kammer befindet sich ein Gerät, das zählt, wie viele Elektronen es durch das Feld schaffen. Während KATRIN die Magnetfeldstärke langsam erhöht, schrumpft die Anzahl der durchströmenden Elektronen - fast so, als würde sie bis auf Null abnehmen. Aber ganz am Ende dieses Spektrums von Elektronenenergieniveaus passiert etwas.
"Das Spektrum stirbt plötzlich ab, bevor Sie den Endpunkt erreichen, weil die Masse des Neutrinos nicht vom Elektron gestohlen werden kann. Es muss immer für die Neutrinos zurückgelassen werden", sagte Robertson. Die Masse des Neutrinos muss geringer sein als die winzige Energiemenge, die am Ende des Spektrums fehlt. Und nach mehreren Wochen Laufzeit haben die Experimentatoren diese Zahl auf etwa die Hälfte der Zahl eingegrenzt, von der die Physiker zuvor wussten.
Die Idee, dass Neutrinos überhaupt Masse haben, ist revolutionär; Robertson wies darauf hin, dass das Standardmodell, die wichtigste physikalische Theorie, die die subatomare Welt beschreibt, einst darauf bestand, dass Neutrinos überhaupt keine Masse haben. Bereits in den 1980er Jahren versuchten russische und amerikanische Forscher, Neutrinomassen zu messen, aber ihre Ergebnisse waren problematisch und ungenau. An einem Punkt haben russische Forscher die Masse des Neutrinos auf genau 30 eV festgelegt - eine schöne Zahl, die Neutrinos als das fehlende Glied offenbart hätte, das die große Gravitationsstruktur des Universums erklärt und die gesamte fehlende Masse ausgefüllt hätte - bis auf eine das stellte sich als falsch heraus.
Robertson und seine Kollegen begannen damals mit der Arbeit mit gasförmigem Tritium, nachdem sie erkannten, dass die schwach radioaktive Substanz die genaueste Quelle für den Zerfall von Neutronen darstellt, die der Wissenschaft zur Verfügung steht.
"Dies war eine lange Suche", sagte Robertson. "Die russische Messung von 30 eV war sehr aufregend, weil sie das Universum gravitativ geschlossen hätte. Aus diesem Grund ist sie immer noch aufregend. Neutrinos spielen eine große Rolle in der Kosmologie und haben wahrscheinlich die großräumige Struktur des Universums geprägt."
All diese schwachen Partikel, die herumfliegen, ziehen mit ihrer Schwerkraft an allem anderen und nehmen und verleihen Energie von all der anderen Materie. Obwohl die Massenzahl verringert wird, wird die genaue Rolle, die diese kleinen Teilchen spielen, komplizierter, sagte Robertson.
Die 1,1 eV-Zahl, sagte der Forscher, ist interessant, weil es die erste experimentell abgeleitete Neutrino-Massenzahl ist, die nicht hoch genug ist, um die Struktur des restlichen Universums allein zu erklären.
"Es gibt Materie, von der wir noch nichts wissen. Es gibt diese dunkle Materie", und sie kann nicht aus den Neutrinos bestehen, von denen wir wissen, sagte er.
Zumindest diese kleine Zahl aus einer großen Vakuumkammer in Deutschland trägt zum Beweisstapel bei, dass das Universum Elemente enthält, die die Physik immer noch nicht versteht.
