Zbliżamy się do nieuchwytnego neutrina

Skromne neutrino, nieuchwytna cząstka subatomowa, która z łatwością przechodzi przez zwykłą materię, odgrywa dużą rolę wśród cząstek tworzących nasz wszechświat. Aby w pełni wyjaśnić, jak powstał wszechświat, musimy znać jego masę. Ale, jak wielu z nas, unika ważenia.

Teraz międzynarodowy zespół badaczy ze Stanów Zjednoczonych i Niemiec Poprowadź ambitne przedsięwzięcie o nazwie Projekt 8 Raporty wskazują, że ich unikalna strategia jest realistycznym pretendentem do miana pierwszego pomiaru masy neutrina. Kiedy Projekt 8 będzie w pełni skalowany, może pomóc odkryć, w jaki sposób neutrina wpłynęły na wczesną ewolucję Wszechświata, jaki znamy.

W 2022 r. Zespół badawczy Katarzyny Ustal górną granicę ciężaru neutrina. Było to monumentalne osiągnięcie, którego ukończenie zajęło dziesięciolecia. Ale te wyniki po prostu zawężają okno wyszukiwania. Katrin wkrótce osiągnie granice wykrywalności celu i być może pewnego dnia je przekroczy, ale neutrino wagi piórkowej może być jeszcze lżejsze, co nasuwa pytanie: „Co dalej?”

Śledzenie duchów

W swoim najnowszym badaniu zespół Projektu 8 donosi w „Physical Review Letters”, że może zastosować zupełnie nową technikę do niezawodnego śledzenia i rejestrowania naturalnego zdarzenia zwanego rozpadem beta. Każde zdarzenie uwalnia niewielką ilość energii, gdy rzadka radioaktywna forma wodoru zwana trytem rozpada się na trzy cząstki subatomowe: jon helu, elektron i neutrino.

Ostateczny sukces Projektu 8 zależy od ambitnego planu. Zamiast próbować wykryć neutrina – które z łatwością przechodzi przez większość technologii detektorów – zespół badawczy zastosował prostą strategię pomiarową, którą można podsumować w następujący sposób:

Dzięki Einsteinowi wiemy, że całkowita masa atomu trytu jest równa energii jego części. Kiedy mierzymy wolny elektron powstający w wyniku rozpadu beta i znamy masę całkowitą, „brakującą” energią jest masa i ruch neutrina.

„W zasadzie w miarę rozwoju i zwiększania skali technologii mamy realną szansę osiągnięcia skali niezbędnej do określenia masy neutrina” – powiedział Brent Vandevender, jeden z głównych badaczy Projektu 8 w Departamencie Energii. Krajowe Laboratorium Północno-Zachodniego Pacyfiku.

Dlaczego Projekt 8?

Badacze ci wybrali ambitną strategię, ponieważ rozważyli zalety i wady i doszli do wniosku, że może ona zadziałać.

Talia Weiss jest absolwentką fizyki jądrowej na Uniwersytecie Yale. Ona i jej koledzy z projektu spędzili 8 lat na zastanawianiu się, jak dokładnie wyodrębnić sygnały elektronowe z elektronicznego szumu tła. Christine Claessens jest stażystką podoktorską na Uniwersytecie Waszyngtońskim i uzyskała stopień doktora. W Projekcie 8 na Uniwersytecie w Moguncji, Niemcy. Weiss i Claessens po raz pierwszy przeprowadzili końcowe analizy, które ustaliły limity masy neutrin uzyskanych dzięki nowej technice.

„Neutrino jest niewiarygodnie lekkie” – powiedział Weiss. „Jest ponad 500 000 razy lżejszy od elektronu. Dlatego też, gdy jednocześnie powstają neutrina i elektrony, masa neutrina ma jedynie niewielki wpływ na ruch elektronu. Chcemy zobaczyć ten mały efekt. Dlatego też potrzebujemy ultraprecyzyjnego sposobu pomiaru szybkości poruszania się elektronów”.

Projekt 8 opiera się na takiej technice, której pionierami byli ponad dziesięć lat temu fizycy Joe Formaggio i Ben Monreal, pracujący wówczas w MIT. Międzynarodowy zespół zebrał się wokół tego pomysłu i utworzył Projekt 8, aby przekształcić wizję w praktyczne narzędzie. Powstała metoda nosi nazwę spektroskopii emisyjnej promieniowania cyklotronowego (CRES). Przechwytuje promieniowanie mikrofalowe emitowane przez nowonarodzone elektrony wirujące w polu magnetycznym. Elektrony te przenoszą większość, choć nie całą, energii uwalnianej podczas rozpadu beta. To właśnie ta brakująca energia może ujawnić masę neutrina. Po raz pierwszy za pomocą techniki CRES zmierzono rozpad beta trytu, wyznaczający górną granicę masy neutrin.

Zespół jest zainteresowany śledzeniem tych elektronów jedynie dlatego, że ich energia jest kluczem do wykrycia masy neutrina. Chociaż strategię tę stosowano już wcześniej, detektor CRES mierzy kluczową energię elektronów, co może potencjalnie rozszerzyć jej zasięg znacznie poza jakąkolwiek istniejącą technologię. I właśnie ta skalowalność wyróżnia Projekt 8. Elise Nowitzki jest adiunktem na Uniwersytecie Waszyngtońskim i kierowała wieloma aspektami nowo opublikowanej pracy.

„Nikt tego nie robi” – powiedział Nowitzki. „Nie bierzemy istniejącej technologii i nie próbujemy jej trochę ulepszyć. Żyjemy w pewnym sensie na Dzikim Zachodzie”.

W swoim najnowszym eksperymencie przeprowadzonym na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle zespół prześledził 3770 przypadków rozpadu beta trytu w ciągu 82-dniowego okresu eksperymentalnego w kuwecie wielkości pojedynczego groszku. Komórka próbki jest chłodzona kriogenicznie i umieszczana w polu magnetycznym, które wychwytuje pojawiające się elektrony na tyle długo, aby anteny rejestrujące systemu mogły zarejestrować sygnał mikrofalowy.

Co najważniejsze, zespół nie zarejestrował żadnych fałszywych sygnałów ani zdarzeń w tle, które można by pomylić z rzeczywistymi. Jest to ważne, ponieważ nawet bardzo małe tło może przesłaniać sygnał masy neutrina, co utrudnia interpretację użytecznego sygnału.

Od ćwierkania po sygnały

Podgrupa badaczy Projektu 8, kierowana przez fizyka eksperymentalnego z PNNL Noaha Oblatha, ale wraz z dziesiątkami innych osób z różnych instytucji, opracowała zestaw wyspecjalizowanych programów – każdy żartobliwie nazwany na cześć innego owada*** – w celu gromadzenia surowych danych i przekształcania ich w sygnały, które można analizować. Inżynierowie projektu włożyli swoje majsterkowicze, aby wymyślić różne części, które sprawiają, że Projekt 8 łączy się w całość.

„Mamy inżynierów, którzy odgrywają kluczową rolę w tych wysiłkach” – powiedział Novitzky. „To coś, co istnieje z punktu widzenia inżyniera. Fizyka eksperymentalna znajduje się w pewnym sensie na granicy fizyki i inżynierii. Trzeba pozyskać do współpracy przedsiębiorczych inżynierów i fizyków o praktycznych poglądach i sprawić, by te rzeczy powstały, ponieważ to takich rzeczy nie ma w podręcznikach”.

Dotrzyj do mety

Teraz, gdy zespół zademonstrował swój projekt i system eksperymentalny wykorzystujący cząstki trytu, ma przed sobą kolejne pilne zadanie. Część całego zespołu pracuje obecnie nad kolejnym krokiem: systemem, który wytwarza, chłodzi i wychwytuje pojedyncze atomy trytu. Ten etap jest trudny, ponieważ tryt, podobnie jak jego powszechniejszy kuzyn, wodór, woli tworzyć cząsteczki. Cząsteczki te sprawiłyby, że ostateczne cele Zespołu Projektowego 8 stałyby się nieosiągalne. Naukowcy pod kierunkiem fizyków z Uniwersytetu w Moguncji opracowują stanowisko testowe do tworzenia i wychwytywania trytu atomowego przy użyciu złożonych układów magnesów, które zapobiegną jego nawet dotknięciu ścian komórek próbki, gdzie prawie na pewno powróci do poziomu molekularnego . Formularz.

Ten postęp technologiczny i skalowanie całego urządzenia będą kluczowymi krokami w kierunku osiągnięcia, a ostatecznie przekroczenia czułości osiągniętej przez zespół Catherine.

Obecnie zespół badawczy, w skład którego wchodzą członkowie z dziesięciu instytucji badawczych, testuje projekty umożliwiające skalowanie eksperymentu z komory na próbki wielkości grochu do komory 1000 razy większej. Pomysł polega na tym, aby uchwycić więcej zdarzeń rozpadu beta za pomocą większego urządzenia odsłuchowego, od wielkości grochu po wielkość piłki plażowej.

„Projekt 8 to nie tylko większy i lepszy eksperyment CRES, to pierwszy eksperyment CRES i pierwszy, w którym zastosowano tę technologię wykrywania” – powiedział Oblath. „Nigdy wcześniej tego nie robiono. Większość eksperymentów ma historię 50 lub 100 lat, przynajmniej jeśli chodzi o stosowaną technologię wykrywania, podczas gdy jest to zupełnie nowe”.

Potrzebna jest wioska

Każdy badacz zespołu projektowego wnosi 8 umiejętności uzupełniających do wysiłków zespołu. Pełną listę współpracowników można znaleźć na stronie Projektu 8.

Projekt 8 jest wspierany przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Fizyki Jądrowej, Narodową Fundację Nauki, niemiecką fundację badawczą PRISMA+ Cluster of Excellence oraz inwestycje wewnętrzne wszystkich współpracujących instytucji.

*** Pakiet oprogramowania opracowany specjalnie przez badaczy pracujących nad projektem obejmuje 8 Morpho, Locust, Katydid, Psyllid i Dragonfly.