Μια ψυχρή και δύσκολη λύση στο πρόβλημα της μάζας του νετρίνου

Πηγή: PhysicsWeb, 27 Ιανουαρίου 2009

Φυσικοί στις ΗΠΑ έχουν προτείνει ένα νέο τρόπο μέτρησης μιας από τις πιο σημαντικές, αλλά αβέβαιες ποσότητες στην φυσική σωματιδίων - τη μάζα του νετρίνου. Το προτεινόμενο πείραμα δανείζεται τεχνικές από την ατομική φυσική για την μείωση της θερμοκρασίας των ατόμων τριτίου κοντά στο απόλυτο μηδέν και μετά τη μελέτη της βήτα διάσπασης τους.

Η ακριβής μέτρηση της μάζας του νετρίνου είναι σημαντική, διότι θα καταλάβουν οι φυσικοί τι είδους θεωρία είναι απαραίτητη για την επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου της σωματιδιακής φυσικής. Μια καλύτερη τιμή της μάζας θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει τους αστροφυσικούς να υπολογίσουν την αναλογία των νετρίνων στην σκοτεινή ύλη.

Το Καθιερωμένο Μοντέλο υποθέτει ότι ότι τα νετρίνα έχουν μηδενική μάζα. Ωστόσο διάφορα πειράματα έχουν αποδείξει ότι τα νετρίνα ταλαντεύονται μεταξύ τριών διαφορετικών τύπων ή "γεύσεων" - που μπορεί να συμβεί μόνο αν τα νετρίνα έχουν μάζα. Δυστυχώς, οι μετρήσεις των ταλαντώσεων είναι ευαίσθητες μόνο στις διαφορές μεταξύ των τετραγώνων των μαζών των διαφορετικών γεύσεων, όχι στις απόλυτες μάζες.

Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι η μάζα του νετρίνο είναι μικρότερη από 2,2 eV, από δύο ανεξάρτητα πειράματα που αφορούν την β-διάσπαση - σύμφωνα με την οποία ένα νετρόνιο σε ένα πυρήνα τριτίου μετατρέπεται σε πρωτόνιο, εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο. Οι προσεκτικές μετρήσεις της ενέργειας ενός μεγάλου αριθμού τέτοιων ηλεκτρονίων δίνει ένα ανώτατο όριο για τη μάζα του νετρίνου. Μια μεγαλύτερη έκδοση αυτών των πειραμάτων που ονομάζεται KATRIN θα ξεκινήσει στη Γερμανία το 2012 και θα πρέπει να είναι σε θέση να περιορίσουν την μάζα του νετρίνου σε 0,2 eV.

Άλλα πειράματα, εν τω μεταξύ, θα μετρήσουν τη μάζα του νετρίνου μελετώντας μια πολύ σπάνια μορφή διάσπασης βήτα στην οποία δύο νετρόνια μέσα σε ένα πυρήνα μετατρέπονται σε πρωτόνια την ίδια στιγμή, εκπέμποντας δύο ηλεκτρόνια, αλλά κανένα νετρίνο. Ο χρόνος ζωής της διαδικασίας αυτής εξαρτάται από την τιμή της μάζας του νετρίνου. Η μάζα των νετρίνων μπορεί επίσης να προκύψει και από τις μετρήσεις της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου - το σημερινό ανώτατο όριο είναι 1 eV - αλλά το αποτέλεσμα αυτό εξαρτάται από ορισμένες υποθέσεις σχετικά με την εξέλιξη του σύμπαντος.

Μετρώντας τις κινήσεις διαφόρων σωματιδίων

Τελευταία, μια ομάδα συμπεριλαμβανομένου του Mark Raizen στο Πανεπιστήμιο στο Όστιν και του Joshua Klein στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια, έχουν προτείνει ένα νέο τρόπο για να γίνουν εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις των κινήσεων των διαφόρων σωματιδίων που συμμετέχουν στη διάσπαση βήτα του τριτίου.

Για να διασφαλιστεί ότι το σύστημα είναι αρχικά κοντά στην απόλυτη ηρεμία όσο είναι δυνατόν φυσικά, η πρόταση αυτή απαιτεί την ψύξη ενός αερίου ατόμων τριτίου λίγα εκατομμυριοστά πάνω από το απόλυτο μηδέν. Ο Raizen και η ομάδα του αυτή τη στιγμή εργάζεται για το πώς μπορεί να ψυχθεί το τρίτιο καθώς και άλλα ισότοπα του υδρογόνου, επιβραδύνοντας δέσμες αυτών των ατόμων με μαγνήτες και στη συνέχεια σταδιακά να μεταφέρουν την παραμένουσα ορμή σε επιμέρους φωτόνια. Ακολούθως, προτείνουν δύο εναλλακτικούς τρόπους για τη μέτρηση της μάζας του νετρίνου.

Ο πρώτος τρόπος αφορά μια μελέτη που είναι γνωστή ως "boundstate" βήτα διάσπαση τριτίου. Στη διαδικασία αυτή, η οποία δεν έχει ακόμη παρατηρηθεί, το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο δεσμεύεται στο άτομο του ηλίου και δεν διαφεύγει. Το γεγονός αυτό καθιστά την διάσπαση μια άμεση διαδικασία δύο σωμάτων, στην οποία η ενέργεια του εκπεμπόμενου νετρίνου είναι ίση με την ενεργειακή διαφορά μεταξύ του αρχικού ατόμου τριτίου και του θυγατρικού ηλίου. Η μάζα του νετρίνου μπορεί να υπολογιστεί απλά με τη μέτρηση της ταχύτητας της πυρηνικής ανάκρουση, η οποία μπορεί κατ 'αρχήν να βρεθεί με την ανίχνευση του χρόνου που χρειάζεται το άτομο του ηλίου να καταλήξει σε ένα ανιχνευτή, που τοποθετείται σε κάποια γνωστή απόσταση από την πηγή του τριτίου.

Η δεύτερη μέθοδος μελετάει την βήτα διάσπαση των τριών σωμάτων και περιλαμβάνει τη χρήση διαφόρων ανιχνευτών για τον υπολογισμό της ορμής του θυγατρικού ιόντος ηλίου και των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται. Η μάζα του νετρίνου υπολογίζεται κατόπιν άμεσα από αυτές τις ποσότητες.

Η μεγιστοποίηση του αριθμού των διασπάσεων

Και οι δύο αυτές τεχνικές βασίζονται στην μεγιστοποίηση του αριθμού των διασπάσεων για την επίτευξη υψηλής ευαισθησίας, όσο είναι δυνατόν. Ο Raizen και οι συνεργάτες του έχουν υπολογίσει ότι με την παγίδευση κάπου 10¹³ ατόμων τριτίου  - το μέγιστο που είναι δυνατόν να επιτευχθεί κατά τη διάρκεια του πειράματος για ένα χρόνο - θα καταλήξει σε κάπως απογοητευτικό ανώτατο όριο για τη μάζα των νετρίνου, σε περίπου 9 eV με την πρώτη προσέγγιση, όμως μπορεί να πιάσουμε το όριο με το πρότζεκτ KATRIN - 0.2 eV - με τη δεύτερη τεχνική .

Τα στοιχεία αυτά, πάντως, δημιουργούνται χρησιμοποιώντας μία προσομοίωση. Κατά πόσον το όριο των 0,2 eV θα μπορούσε να αναπαραχθεί σε ένα πραγματικό πείραμα - που οι ερευνητές ελπίζουν να διενεργήσουν κατά την επόμενη δεκαετία - εξαρτάται από την υπέρβαση αρκετών σημαντικών προκλήσεων της μηχανικής, δηλαδή να βρούμε πόσα άτομα μπορεί στην πραγματικότητα να είναι παγιδευμένα.

Ο επικεφαλής του πρότζεκτ KATRIN Guido Drexlin λέει ότι η προσέγγιση του Raizen και της ομάδας του είναι, κατά κανόνα, πολύ ενδιαφέρουσα. Αλλά τονίζει ότι πρέπει να γίνει αρκετή δουλειά μέχρι να τεθεί η ιδέα σε πράξη. "Η Φύση δεν αποκαλύπτει εύκολα τα μυστικά της μάζας του νετρίνου", υποστηρίζει ο Guido Drexlin. "Το όνομα του παιχνιδιού για την εύρεση της μάζας του νετρίνου είναι πάντα το ίδιο: στατιστικές, στατιστικές, στατιστικές, και προσεκτικός έλεγχος στα συστήματα."