Ποιά είναι η μάζα ηρεμίας ενός νετρίνου;
● Αυτό είναι ένα από τα μεγάλα αναπάντητα ερωτήματα στη φυσική, δεδομένου ότι τα νετρίνα παίζουν κεντρικό ρόλο στη φύση.
● Σημαντική συμβολή στη «ζύγιση» των νετρίνων έχει η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη, ως μέρος της διεθνούς συνεργασίας ECHο.
● Χρησιμοποιώντας την αποκαλούμενη παγίδα Penning, μέτρησαν την μεταβολή της μάζας του ολμίου-163 με εξαιρετική ακρίβεια όταν ο πυρήνας του συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο και μετατρέπεται σε δυσπρόσιο-163. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την μετατροπή του πρωτονίου σε νετρόνιο, απελευθερώνοντας ένα νετρίνο και φωτόνια.
● Το συλλαμβανόμενο ηλεκτρόνιο αφήνει πίσω του ένα κενό στη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων του ατόμου και τα άλλα ηλεκτρόνια αναδιατάσσονται γρήγορα, απελευθερώνοντας ενέργεια.
● Έτσι, προσδιορίστηκε η ενέργεια που απελευθερώθηκε κατά τη διάρκεια της διαδικασίας με 50 φορές μεγαλύτερη ακρίβεια σε σχέση με το παρελθόν.
● Χρησιμοποιώντας μια ακριβέστερη τιμή αυτής της ενέργειας, μπορούν να αποκαλυφθούν πιθανά συστηματικά σφάλματα στον προσδιορισμό της μάζας των νετρίνων.
Το 1930 ο Wolfgang Pauli, για να διασώσει τις αρχές διατήρησης της Φυσικής, πρότεινε την ύπαρξη ενός νέου σωματιδίου, κάτι πρωτοφανές για εκείνη την εποχή. Λίγα χρόνια μετά, ο Enrico Fermi, βάφτισε το σωματίδιο του Pauli νετρίνο. To νετρίνο αποτελούσε αναπόσπαστο κομμάτι της θεωρίας του για την διάσπαση β που διατύπωσε το 1934. Σύμφωνα μ’ αυτήν, τα νετρίνα αλληλεπιδρούσαν εξαιρετικά ασθενώς με την ύλη. Το νετρίνο επρόκειτο, μάλλον, για ένα σωματίδιο φάντασμα: μπορούσε να διαπεράσει ολόκληρη τη Γη χωρίς καμία αλληλεπίδραση. Παρ’ όλα αυτά, τα νετρίνα αποτελούσαν θεμελιώδες συστατικό του σύμπαντος, η ύπαρξη των οποίων ήταν απαραίτητα σύμφωνα με τους βασικούς νόμους της φυσικής. Τελικά η ύπαρξη των νετρίνων αποδείχθηκε πειραματικά 26 χρόνια μετά, το 1956, από τους Frederick Reines και Clyde Cowan.
Όμως, η μελέτη των νετρίνων που παράγονται εξαιτίας των πυρηνικών αντιδράσεων σύντηξης στο εσωτερικό του Ήλιου και βομβαρδίζουν ακατάπαυστα τη Γη, έφεραν μια άλλη πρωτοποριακή αποκάλυψη: οι τρεις τύποι νετρίνων που είναι γνωστοί μέχρι σήμερα μπορούν να μεταμορφωθούν ο ένας στον άλλο. Ωστόσο, αυτές οι «ταλαντώσεις νετρίνων» είχαν σοβαρές συνέπειες για την κοσμοθεωρία της σωματιδιακής φυσικής. Μέχρι τότε, εθεωρείτο ότι τα νετρίνα δεν είχαν μάζα ηρεμίας, όπως ακριβώς συμβαίνει με τα φωτόνια. Αυτό θα ήταν συμβατό με το Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής, την καλύτερη περιγραφή του κόσμου των σωματιδίων μέχρι σήμερα. Οι ταλαντώσεις των νετρίνων απέδειξαν ότι τα νετρίνα διαθέτουν μάζα ηρεμίας, κάτι που αποτελεί μια περαιτέρω ένδειξη ότι υπάρχει νέα φυσική πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Η γνώση της ακριβούς μάζας ηρεμίας του νετρίνου θα ήταν επομένως ένας πολύ καλός οδηγός στον άγνωστο κόσμο της νέας φυσικής. Δυστυχώς όμως δεν μπορούμε απλά να βάλουμε το νετρίνο σε μια ζυγαριά. Το ‘ζύγισμα’ των νετρίνων απαιτεί εξαιρετικά πολύπλοκα πειράματα σε τεχνικά προσβάσιμες φυσικές διεργασίες που περιλαμβάνουν νετρίνα. Ένας έμμεσος τρόπος ζυγίσματος είναι η βήτα διάσπαση του τριτίου. Το τρίτιο κατά την ραδιενεργό διάσπασή του μετατρέπεται σε ήλιο-3, καθώς το ένα από τα δύο νετρόνια στον πυρήνα του μεταπίπτει προς ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο. Διαμέσου αυτής της διαδικασίας «ζυγίζονται» τα νετρίνα στο πείραμα KATRIN στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης.
Ένας συμπληρωματικός έμμεσος τρόπος ζύγισης των νετρίνων γίνεται χρησιμοποιώντας το τεχνητό ισότοπο όλμιο-163 (163Ho). Εδώ, ο πυρήνας του ολμίου συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο από το εσωτερικό κέλυφος ηλεκτρονίων (Electron Capture ή EC) και ένα πρωτόνιο του πυρήνα μετατρέπεται σε νετρόνιο, με αποτέλεσμα το όλμιο-163 να μεταπίπτει σε δυσπρόσιο-163. Αυτή η διαδικασία απελευθερώνει επίσης και ένα νετρίνο. Η διεθνής επιστημονική συνεργασία ECHο προσπαθεί να μετρήσει την ενέργεια Q που παράγεται στην εν λόγω διαδικασία ραδιενεργού διάσπασης με την μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Σύμφωνα με την εξίσωση ισοδυναμίας μάζας-ενέργειας E = mc2 του Αϊνστάιν, η μέτρηση της ενέργειας μπορεί να εξισωθεί με την ζύγιση μαζών. Ως «θερμιδόμετρο», το πείραμα ECHo μετρά με εξαιρετική ακρίβεια τη συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται σε αυτή τη διάσπαση: Αυτό αντιστοιχεί στο μέγιστο της τιμής Q μείον τη μάζα ηρεμίας του νετρίνου που απελευθερώνεται. Για το σκοπό αυτό, το όλμιο-163 ενσωματώνεται σε ένα στρώμα ατόμων χρυσού.
Ωστόσο, αυτά τα άτομα χρυσού θα μπορούσαν να έχουν επίδραση στο όλμιο-163. Είναι επομένως σημαντικό να μετρηθεί η τιμή του Q όσο το δυνατόν ακριβέστερα χρησιμοποιώντας μια εναλλακτική μέθοδο και να τη συγκρίνουμε με την θερμιδομετρικά καθορισμένη τιμή για να να εντοπίσει πιθανές συστηματικές πηγές σφαλμάτων.
Κι εδώ μπαίνει στο παιχνίδι το πείραμα της πενταπαγίδας (pentatrap) της Χαϊδελβέργης και η διδακτορική διατριβή του Christoph Schweiger. H πενταπαγίδα αποτελείται από πέντε λεγόμενες παγίδες Penning. Σε αυτές τις παγίδες, τα ηλεκτρικά φορτισμένα άτομα μπορούν να συλληφθούν από έναν συνδυασμό στατικού ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου. Αυτά τα ιόντα εκτελούν έναν περίπλοκο «κυκλικό χορό», που επιτρέπει τον προσδιορισμό της μάζας τους με εξαιρετική ακρίβεια.
Τα πειράματα των φυσικών της Χαϊδελβέργης προσδιόρισαν την τιμή Q=2,863.2 ± 0.6 eV.c−2, για την διαδικασία σύλληψης ηλεκτρονίων από το όλμιο-163. Η ακρίβεια αυτής της μέτρησης είναι 50 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με παλαιότερες μετρήσεις. Και τι σημαίνει αυτό για τις μάζες των νετρίνων; Συγκεκριμένα αυτό το αποτέλεσμα θα επιτρέψει τον προσδιορισμό της μάζας του νετρίνου του ηλεκτρονίου στην περιοχή τιμών κάτω του ενός κάτω από το επίπεδο του ενός ηλεκτρονιοβόλτ (<1eV.c−2) από την ανάλυση της σύλληψης ηλεκτρονίου από το 163Ho.
To πείραμα KATRIN προσδιόρισε το ακριβέστερο μέχρι σήμερα, ανώτερο όριο της μάζας των νετρίνων στα 0,8 eV.c−2, που αντιστοιχεί σε κιλά στην ασύλληπτη τιμή των 0,000000000000000000000000000000000000000000000000014 kg!
Αυτή η τάξη μεγέθους 10–36 αντιστοιχεί περίπου στην αναλογία μάζας μεταξύ … τεσσάρων σταφίδων και του Ήλιου. Κι αυτό είναι μόνο ένα ανώτατο όριο. Η ανάλυση της εκτιμώμενης κατανομής μάζας στο σύμπαν δίνει ως χαμηλότερο ανώτερο όριο της μάζας των νετρίνων 0,12 eV.c−2. Όμως, αυτή η ανάλυση είναι εξαιρετικά περίπλοκη και εξαρτάται από το κοσμολογικό μοντέλο που χρησιμοποιείται. Σε κάθε περίπτωση, είναι σαφές ότι όποιος θέλει να ζυγίσει τα νετρίνα αντιμετωπίζει ακραίες προκλήσεις στα όρια του τεχνικά εφικτού. Σε αυτό το πλαίσιο, το αποτέλεσμα της Χαϊδελβέργης είναι ένα σημαντικό βήμα στον δρόμο για την επίλυση του μυστηρίου των μαζών νετρίνων.
Πηγή: physicsgg
