Πόσο βαρύ είναι ένα νετρίνο;

Προς το παρόν, μόνο ένα πείραμα στον κόσμο μπορεί να κάνει μια τέτοια μέτρηση – ο τεράστιος, σε σχήμα Zeppelin, ανιχνευτής νετρίνων KATRIN στην Καρλσρούη. Στο συνέδριο NuMass 2024 στη Γένοβα της Ιταλίας, συναντήθηκαν ομάδες φυσικών και συζήτησαν εναλλακτικούς τρόπους ανίχνευσης νετρίνων.

Ερευνητικές ομάδες παρουσίασαν πειράματα μικρής κλίμακας που δείχνουν ότι οι τεχνικές τους θα μπορούσαν να μετρήσουν με ακρίβεια την μάζα του νετρίνου. Οι ερευνητές ελπίζουν ότι με την βελτιωμένη έκδοση των διατάξεων τους θα μπορούσαν τελικά να ανταγωνιστούν τον ανιχνευτή KATRIN ή και να τον ξεπεράσουν.

Ένας εντυπωσιακός τρόπος εκτίμησης της μάζας των νετρίνων είναι μέσα από τα κοσμολογικά πρότυπα και τις παρατηρήσεις της κοσμικών δομών μεγάλης κλίμακας, απ’ όπου προκύπτει ότι τα νετρίνα είναι εξαιρετικά ελαφριά, με μάζες, το πολύ 0,12 eV – τέσσερα εκατομμύρια φορές μικρότερες από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου. Αν είναι σωστές αυτές οι εκτιμήσεις θα έθεταν την πραγματική μάζα του νετρίνου πέραν της εμβέλειας του KATRIN. Και οι φυσικοί ανησυχούν ότι το KATRIN, παρόλο που είναι ένα σπουδαίο πείραμα, μπορεί να μην είναι σε θέση να προσδιορίσει την μάζα των νετρίνων..

Η απροσδιόριστη ελαφρότητα των νετρίνων

Για να ζυγίσουν τα νετρίνα, οι φυσικοί χρησιμοποιούν τη διάσπαση των ραδιενεργών ισοτόπων. Τα νετρίνα που παράγονται σε τέτοιες διασπάσεις διαφεύγουν χωρίς να ανιχνευτούν, αλλά η μάζα τους μπορεί να υπολογιστεί μετρώντας την ενέργεια των υπόλοιπων σωματιδίων.

Το KATRIN χρησιμοποιεί την «διάσπαση βήτα» του τριτίου (), ένα βαρύ ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου. Όταν το τρίτιο διασπάται, ένα από τα δύο νετρόνια στον πυρήνα του μετατρέπεται σε πρωτόνιο, εκτοξεύοντας ένα ηλεκτρόνιο (που ονομάζεται και σωματίδιο βήτα) και ένα αντινετρίνο. Η διάσπαση απελευθερώνει μια συνολική ποσότητα ενέργειας που είναι γνωστή με πολύ καλή ακρίβεια, και το μεγαλύτερο μέρος αυτής της ενέργειας μεταφέρεται από το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο, με την μορφή κινητικής ενέργειας καθώς και της ενέργειας που ‘παγιδεύεται’ στις μάζες των δύο σωματιδίων. Η κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου νετρίνου μπορεί να πάρει τιμές από το μηδέν μέχρι μια μέγιστη τιμή, αλλά σίγουρα το εκπεμπόμενο νετρίνο θα φέρει την ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που αντιστοιχεί στην μάζα ηρεμίας του. Το πείραμα KATRIN στοχεύει να εκτιμήσει αυτό το ελάχιστο μετρώντας το πλήρες εύρος των ενεργειών των αντίστοιχων ηλεκτρονίων και προσδιορίζοντας τη μέγιστη ενέργεια των ηλεκτρονίων.

Μέχρι στιγμής, το καλύτερο αποτέλεσμα του πειράματος KATRIN ήταν να θέσει ένα ανώτερο όριο 0,8 eV στη μάζα του νετρίνου και η καλύτερη δυνατή ευαισθησία του είναι 0,2 eV. Επομένως, όταν η συνεργασία KATRIN κυκλοφορήσει τα τελικά της αποτελέσματα μέσα στο 2024, θα είναι σε θέση να κάνει μια συγκεκριμένη μέτρηση μόνο εάν η μάζα του είναι μεταξύ 0,2 και 0,8 eV. Ένα τέτοιο αποτέλεσμα θα ήταν σε εντυπωσιακή διαφωνία με τις εκτιμήσεις από την κοσμολογία. Για να είναι η μάζα του νετρίνου στο εύρος που μπορεί να μετρήσει το KATRIN θα χρειαζόταν «εξωτική, όχι τετριμμένη φυσική», όπως άγνωστες μέχρι τώρα θεμελιώδεις δυνάμεις που επηρεάζουν τα νετρίνα ή αλλαγές στη θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν.

Σύλληψη ηλεκτρονίων

Οι φυσικοί επιχειρούν να αναπτύξουν νέες τεχνικές που θα μπορούσαν μετρήσουν πιθανές μικρότερες μάζες νετρίνων. Το συνέδριο NuMass 2024 πραγματοποιήθηκε σε μια ενδιαφέρουσα στιγμή για το πεδίο, επειδή ορισμένες από αυτές τις εναλλακτικές λύσεις έχουν πλέον ωριμάσει σε σημείο που θα μπορούσαν να μετατραπούν σε ολοκληρωμένα πειράματα. Μια από τις τεχνικές εκμεταλλεύεται τη διάσπαση του ολμίου-163, ενός ραδιενεργού ισοτόπου του στοιχείου όλμιου των σπάνιων γαιών.

Σε αντίθεση με το τρίτιο, το όλμιο-163 δεν υφίσταται βήτα διάσπαση. Αντίθετα, ένα από τα ηλεκτρόνια του ατόμου «συλλαμβάνεται» από ένα πρωτόνιο στον πυρήνα του (Electron Capture ή EC). 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. Εφόσον το αρχικό άτομο ολμίου είναι ενσωματωμένο σε ένα υλικό, όλη αυτή η ενέργεια θα παρέμενε παγιδευμένη, παράγοντας μια μικροσκοπική ποσότητα θερμότητας που μπορεί να μετρηθεί με έναν αρκετά ευαίσθητο ανιχνευτή.

Την ιδέα αυτής της προσέγγισης για την μέτρηση της μάζας του νετρίνου, σκέφτηκε για πρώτη φορά ο θεωρητικός φυσικός Álvaro de Rújula του CERN. Η έμπνευση προέκυψε κατά τη διάρκεια της παραμονής του στο Ρίο ντε Τζανέιρο της Βραζιλίας το 1981, στην παραλία της Copacabana κοιτάζοντας το σχήμα του γειτονικού βουνού Sugarloaf, το οποίο έχει «το σχήμα του φάσματος σύλληψης ηλεκτρονίων» (ένα γράφημα που δείχνει το εύρος των ενεργειών που μπορεί να να μετρηθεί ως υπολειπόμενη θερμότητα από τη διάσπαση).

Μετά από κάποιες αρχικές προσπάθειες, οι φυσικοί εγκατέλειψαν προσωρινά αυτή την ιδέα, αλλά επαναφέρθηκε στα τέλη της δεκαετίας του 1990 από δυο ομάδες φυσικών. Παρόλο που και οι δύο ομάδες είχαν υποχρηματοδοτηθεί και υποστελεχωθεί, πάλεψαν στην αφάνεια «ηρωικά» για πολλά χρόνια.

Κάθε μία από τις δύο ομάδες ακολουθεί διαφορετική προσέγγιση για την έγχυση ολμίου-163 σε λωρίδες μετάλλου που είναι ενσωματωμένες σε ευαίσθητους ανιχνευτές θερμότητας που διατηρούνται σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν. Και οι δύο ομάδες έχουν δείξει ότι μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια με υψηλή ακρίβεια. Έθεσαν ένα ανώτερο όριο 150 eV στη μάζα του νετρίνου και προς το παρόν εργάζονται για να τη βελτιώσουν κατά έναν παράγοντα 10.

Εναλλακτικές μέθοδοι

Σε ένα άλλο πείραμα (Project 8) οι φυσικοί έβαλαν αέριο τρίτιο χαμηλής πυκνότητας σε μια μαγνητική φιάλη, η οποία παγιδεύει τα ηλεκτρόνια από τη διάσπαση βήτα χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Στην εργασία που δημοσιεύτηκε πέρυσι [Tritium Beta Spectrum Measurement and Neutrino Mass Limit from Cyclotron Radiation Emission Spectroscopy], οι ερευνητές δείχνουν ότι μπορούν να μετρήσουν την ενέργεια των ηλεκτρονίων (επομένως και των νετρίνων) με μεγάλη ακρίβεια, μετρώντας την συχνότητα των εκπεμπόμενων ραδιοκυμάτων. Η ομάδα των ερευνητών σκοπεύει να στραφεί στο ατομικό τρίτιο, το οποίο είναι πιο δύσκολο στον χειρισμό, αλλά θα αφαιρούσε ορισμένες πειραματικές αβεβαιότητες που περιόριζαν την ακρίβεια των προηγούμενων πειραμάτων με τρίτιο, συμπεριλαμβανομένου και του KATRIN.

Οι φυσικοί ελπίζουν ότι κάποια μέρα θα κατασκευάσουν μια μεγάλης κλίμακας έκδοση του πειράματος που θα μπορούσε να μειώσει την ευαισθησία στα 0,04 eV – αρκετά μικρή για να ξεπεράσει τα αυστηρά όρια από τα κοσμολογικά πειράματα.

Πηγαίνοντας ένα βήμα παραπέρα, σε ένα άλλο προτεινόμενο πείραμα που ονομάζεται PTOLEMY σχεδιάζεται να χρησιμοποιηθεί στερεό, αντί αέριο τρίτιο, προσαρτημένο σε μεμβράνες γραφενίου με πάχος ενός μόνο ατόμου. Αυτό θα επέτρεπε στους ερευνητές να συγκεντρώσουν πολύ περισσότερο τρίτιο και επομένως μεγαλύτερο αριθμό ραδιενεργών διασπάσεων και καλύτερη στατιστική.

Προς το παρόν, η επιστημονική κοινότητα περιμένει με ανυπομονησία τα τελικά αποτελέσματα από το πείραμα KATRIN. Ακόμα και όταν το πείραμα φτάσει στα όρια της σχεδιαστικής του ευαισθησίας, οι εμπλεκόμενοι ερευνητές σκοπεύουν την περαιτέρω αναβάθμισή του, ώστε το KATRIN να συνεχίσει την κυριαρχία του όσον αφορά τις μετρήσεις μάζας των νετρίνων.