22 октомври 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Как учените ще измерят масата на неутриното

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 04 май 2015 в 21:3956000
Снимка: APS/Alan Stonebraker, based on a drawing by Ben Monreal/UCSB

Колаборацията Project 8 е създадена за да търси масата на "неуловимото" неутрино и вече има резултати, отразени и при нас (Колайдер от един-единствен електрон, който излъчва радиовълни. Масата на неутриното). Project 8 използва метода на циклотронна спектроскопия на електроните. Какво представлява той и защо е толкова трудно определима тази частица.

Първите резултати от експеримента Project 8 доказват ефективността на новия метод за измерване на енергията на електроните - по честотата на тяхната циклотронна радиация.

Този метод работи с електрони, движещи се със скорости далече от скоростта на светлината като един по един им се измерва енергията им без да ги разрушава. Чрез измерване на енергията на електроните, излъчвани при бета-разпад на тритий, може да се определи масата на неутриното от липсващата енергия.

Странностите на неутриното - квантови ефекти на макро ниво

Неутриното е частица, често наричана "мистериозна", "капризна" - какво я отличава от другите известни елементарни частици?  С нея са свързани няколко загадки, като преди всичко, това е масата на неутриното.

Има три вида неутрино - електронно, мюонно и тау неутрино, които съответстват на лептона, с който се раждат. Но това , какво точно е неутриното, неговата лептонна идентичност е малко размита. Това е другото забележително свойство на неутриното - то осцилира - различни видове неутрино може да превръщат едно в друго. Ако то се роди като електронно неутрино, то може след километър да стане мюонно, а след още някой километър - отново да възвърне електронната си идентичност.

Смята се, че осцилациите показват, че масата на неутриното не е нулева. И макар че в долната таблица има някакви стойности за масата на неутриното (взети от справочници), те са ориентировъчни.

Име на частицата Символ Маса (спрямо масата на електрона) електричен заряд Спин Време (сек)
Частица Анти-частица
Неутрино електронно νe νe ~4,3∙10–6 0 1/2 Стабилно
Неутрино мюонно νμ νμ ~0,3 0 1/2 Стабилно
Тау-неутрино ντ ντ ~30,3 0 1/2 Стабилно
електрон e e+ 1 –1      1 1/2 Стабилен
Мюон μ μ+ 206,8 –1      1 1/2 2,2∙10–6
Тау-лептон τ τ+ 3477,5 –1      1 1/2 2,9·10−13

И тук става интересно. Ако неутриното има определена идентичност - електронно, мюонно или тау неутрино, то няма маса, контретно свързана с лептонния му тип, а някаква комбинация от неутрино с различни маси: електронна, мюонна и маса на тау неутрино.

И това е точно съвместимо с квантовата механика. Може да се каже, че осцилациите на неутриното са макроскопична илюстрация на квантовите закони - нещо, което се среща при частиците само при температури, близки до абсолютната нула.

Измерването на дължината на осцилациите позволява да се намери разликата между масите на неутриното, всъщност, разликата от квадратите на масите. Но тези измервания няма да помогнат да се установи общия мащаб на масите. Те са някъде около милиелектронволт (MeV), но колко точно - не е известно. Това е нужно да се разбере за да се установи теоретичния модел на неутриното. Това може да стане само с експеримент, но който да не измерва осцилациите, а да е спектроскопски, въз основа на точно измерване на енергиите на електрона в радиоактивни разпади.

Бета разпадът показва неутриното

На 4 декември 1930 г. австрийският физик Волфганг Паули в неформално писмо до участниците на конференцията по физика в Тюбинген съобщава, че: 

"Има възможност, в ядрата да съществуват електрически неутрални частици, които ще наричам "неутрони" и които имат спин ½ ... Масата на този  "неутрон" по порядък трябва да бъде сравнима с масата на електрона и във всеки случай не повече от 0,01 от масата на протона. Непрекъснатият бета-спектър би станал разбираем, ако приемем, че при бета-разпада електроните излъчват и "неутрон", така че сумата на енергиите на "неутрона" и електрона остава постоянна."

Впоследствие "неутронът" на Паули е трансформиран от Енрико Ферми на италиански като "неутрино" - "неутронче".

Бета-распад на тритий на хелий-3, електрон и антинеутрино. Схема: nist.gov

Атомът на трития (нестабилен изотоп на водорода) в резултат на бета-разпад се превръща в три частици - хелий-3, електрон и антинеутрино. Тази реакция е накарала Паули преди 85 години и да заподозре съществуването на неутриното.

В зависимост от това, как една спрямо друга се разпръскват тези три частици, измерената енергия на електрона може да бъде различна. Най-голяма е енергията в редкия случай, когато електронът и неутриното поемат строго в една и съща посока. И в зависимост от това, дали неутриното има маса или не, тази максимална енергия на електрона ще бъде леко по-различна и ако се измери, е възможно да се изчисли и масата на неутриното.

За съжаление, това е трудно да се направи. Вижте графиката долу, която показва спектъра на електроните при разпада на тритий. Обърнете внимание колко незначителна е разликата, която трябва да се регистрира. Това е основният проблем на повече от половин век на измервания. Такава точност все още е недостижима.

Спектър на електроните при бета-разпад на трития: общ вид (вляво) и с голямо увеличение, областта близо до горната граница на спектъра. Синята и червената линии показват очаквания спектър за случая на безмасово неутрино или неутрино с маса 1 eV. Схеми: katrin.kit.edu

Приетата в графиката маса от един електронволт (eV) (в червено) е все още много по-голяма от очакваната. Масата на неутриното може да бъде 2-3 порядъка по-малка.

Експериментите

Ето защо, учените търсят начини да направят експеримента по-точен. Сега се готвят да пуснат гигантската инсталация KATRIN. Тя е почти готова за работа и ще започне да събира данни през 2016. Но успоредно с това, се развиват и други проекти.

Експериментът KATRIN (вляво) и експериментът Project 8 (вдясно). Снимки: backreaction.blogspot.com и project8.org

Един от тези конкурентни експерименти е Project 8. Наскоро колаборацията на проекта публикува статия Single-Electron Detection and Spectroscopy via Relativistic Cyclotron Radiation в списание Physical Review Letters, която докладва за успешно демонстрация на новата технология, основна на циклотронна спектроскопия на електроните.

Циклотронна спектроскопия на електроните

Самата идея спектроскопия за потенциално измерване на масата на неутриното е публикувана отдавна, през 2009 г. 

Обикновено, когато има не много енергийни електрони, тяхната енергия се измерва само като се погълне електрона и се превърне енергията му в йонизация на вещество и светлина. Това измерване е неудобно, защото е еднократно и напълно се унищожава измерения обект. Ако има грешка, тя остава независимо колко пъти се повтаря опита.

Затова пък методът на циклотронната спектроскопия измерва енергия на електроните без да ги разрушава, което позволява да се повтаря измерването много пъти със същия електрон и по този начин драстично да се подобри точността на измерване.

Това се прави, като отделеният при разпада електрон попадне в силно магнитно поле и се върти там с определена честота, която се нарича циклотронна. В този процес при описаните експерименти, той излъчва електромагнитно излъчване със честота в микровълновия диапазон. За нерелативистични скорости на електрона циклотронната честота ω0 на излъчване се определя само от магнитното поле и не зависи от енергията на електрона.

Но ако скоростта на електрона се доближи до скоростта на светлината, а скоростта на електрона, излетял от трития достига една четвърт от скоростта на светлината, трябва вече да се вземе предвид релативисткия (лоренцовия) коефициент γ. Така циклотронната честота е ω (E) = ω0 / γ.  Сега честотата зависи и от енергията на електрона - колкото по-висока енергията му, толкова е по-ниска честотата. Въпреки че лоренцовият коефициент γ малко се различава от единица, все пак това е достатъчно за точното измерване на честотата на излъчване в дадено магнитно поле и съответно на енергията на електрона. Което пък дава шанс да се намери малкото отклонение, което ще даде масата на неутриното.

Демонстрация на технологията в експеримента Project 8

За разлика от идеята, експерименталната й реализация се оказва не толкова проста. От една страна, интензивността на излъчване от един електрон е много малка. От друга страна, енергията на електрона е твърде малка и за части от секундата цялата се изразходва в радиация. Тези две условия налагат строги изисквания към сензора - трябва да бъде чувствителен и достатъчно бърз. 

В наскоро публикувана статия (Single-Electron Detection and Spectroscopy via Relativistic Cyclotron Radiation) на колаборацията Project 8 се описва първата реализация на предложения метод за измерване на енергията на "един единствен електрон".

За този експеримент се използва изомер на криптон 83mKr с период на полуразпад от около два часа. Неговият разпад се осъществява по следния начин: ядрото излъчва гама-квант, които не се отклонява, а веднага се поглъща вътре в атома и избива електрон. За разлика от бета-разпада, където енергията на електрона може да има широк обхват, в случая се отделя от атома само един електрон без неутрино. Енергията му ясно се фиксира от същата електронна обвивка, от която е избит, така електронния спектър показва отделни линии.

Честотата на радиовълните, излъчвани от един електрон в капана на магнитно поле. С цвят е показано честотното разпределение на мощността на излъчването в сравнение с нивото на шума. Илюстрация към статията в Physical Review Letters

От резултата може да се види, че неопределеността на честотата на измерването е няколко десети от мегахерца, а енергията на електрона е с грешка в десетки електроволта, което все още е твърде много за търсене на масата на неутриното. Но това е само първата демонстрация на метода.

Тъй като технологията не изисква големи и скъпи съоръжения, а разчита единствено на чувствителността на сензора и чистотата на експеримента, може да се очаква, че точността ще се увеличи значително в бъдеще.

Възможно е KATRIN да започне работа и да получи резултати преди Project 8 да достигне нужната чувствителност на сензорите си. Но в дългосрочен план Project 8 има по-голям технически потенциал да постигне по милиелектронволтова точност.

Източници:

Single-Electron Detection and Spectroscopy via Relativistic Cyclotron Radiation, D. M. Asner et al. 

Viewpoint: Cyclotron Radiation from One Electron, P. Huber

Нейтрино

Частица-призрак: нейтрино, Алексей Левин

Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино, Игорь Иванов 


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.