Mysterieuze neutrino's krijgen nieuwe massaschatting

Mysterieuze neutrino's krijgen nieuwe massaschatting
4.7 (93.94%) 33 votes


Neutrino's, enkele van de vreemdste fundamentele deeltjes in de natuur, zijn bijna massaloos – nadruk op bijna. Ze werden voorspeld volledig massaloos te zijn, maar experimenten ongeveer 20 jaar geleden ontdekten dat ze verrassend veel massa hebben. Hoeveel is er een mysterie gebleven. Nu legt een nieuwe berekening op basis van kosmologische waarnemingen een bovengrens op voor hoe zwaar de lichtste soort neutrino kan zijn.

Er zijn er veel: hun onverwachte gewicht, ten eerste, en dat ze zelden in wisselwerking staan ​​met andere materie en elk moment door de miljarden passeren. Misschien is het vreemdste aspect van deze deeltjes hun neiging om van identiteit te veranderen, te wisselen tussen de drie mogelijke "smaken" of soorten. Het was eigenlijk de observatie van dit vormveranderende vermogen in de eerste plaats dat wetenschappers vertelde dat de drie neutrino-smaken verschillende massa's moeten hebben – wat natuurlijk betekent dat al hun massa's niet nul kunnen zijn.

Wetenschappers zouden graag willen weten wat ze eigenlijk wegen, wat een essentiële aanwijzing zou zijn over waarom ze massa hebben, aangezien ze het niet lijken te verwerven zoals andere deeltjes doen: door het Higgs-veld (geassocieerd met het Higgs-boson, dat werd ontdekt in 2012). "Begrijpen waarom deeltjes massa hebben, is iets heel fundamenteels in hoe we fysica begrijpen", zegt natuurkundige Joseph Formaggio van het Massachusetts Institute of Technology. “Wat neutrino's vormen, is de mogelijkheid dat het mechanisme dat volgens ons massa's veroorzaakt voor alle deeltjes, om een ​​vreemde reden, niet van toepassing is op neutrino's. Dat vind ik spannend. ”

De nieuwe massalimiet komt van een supercomputerberekening die gegevens combineert over de overblijfselen van het eerste licht dat vrijkwam na de oerknal en supernova-metingen die de expansiesnelheid van de kosmos weerspiegelen. De analyse gebruikte ook, zoals metingen van de snelheden die ze schakelen tussen smaken, om te komen tot een schatting van het maximale gewicht van de kleinste: 0,086 elektron volt, of 0,0000000000000000000000000000000000001515 kilogram – waardoor het minstens zes miljoen keer lichter is dan een elektron .

"Wat ze hebben gedaan is echt goed werk", zegt Olga Mena van het Institute of Corpuscular Physics in Spanje, die heeft gewerkt. André de Gouvêa, een theoretisch fysicus aan de Northwestern University, zegt: "Het is een iets meer gedetailleerde analyse van kosmologische gegevens dan mensen eerder hadden gedaan. Het is best een leuke paper. ”De resultaten, aanvankelijk voor de preprint-server arXiv.org, waren op 22 augustus in Physical Review Letters (PRL). Een andere limiet, berekend door middel van vergelijkbare methoden door natuurkundigen Shouvik Roy Choudhury en Steen Hannestad, werd ook onlangs gepost op arXiv.org en wordt nu beoordeeld door Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Cosmic Fuzziness

Waarom zouden verre metingen van sterrenstelsels en supernovae invloed hebben op de massa van het lichtste materiedeeltje in het universum? Omdat neutrino's, hoewel klein, een zwaartekrachteffect hebben op al het andere door hun kleine massa. Terwijl ze met bijna de snelheid van het licht door de ruimte reizen, hebben ze de neiging om andere deeltjes zo lichtjes mee te trekken, wat leidt tot een algehele wazigheid in de verspreiding van sterrenstelsels door de kosmos. "Het is alsof je kortzichtig bent en je bril afzet", zegt Arthur Loureiro van University College London, eerste auteur van de PRL studie. "Ze maken dingen vager." En de omvang van deze vaagheid kan ons vertellen hoeveel massa-neutrino's hebben.

De schatting is een aanvulling op andere inspanningen om neutrino's te wegen die zich richten op laboratoriumexperimenten. Bijvoorbeeld, een project genaamd het Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) -experiment in Duitsland heeft als doel neutrinomassa te meten door bèta-verval te observeren waarin een neutron in een proton transformeert door een neutrino en een elektron vrij te geven. Door de energie van het elektron zorgvuldig te meten, kunnen wetenschappers de massa van het neutrino afleiden. In tegenstelling tot op kosmologie gebaseerde schattingen, die onzekerheden bevatten over aannames over onbekenden zoals donkere materie en donkere energie, is dit soort experiment directer. "Het maakt min of meer de minste veronderstellingen, maar helaas is het momenteel het minst gevoelig", zegt Formaggio, die werkt aan KATRIN en vergelijkbare experimenten.

Een derde klasse studies zoekt naar een legendarisch vervalproces dat bekend staat als "neutrinoless double beta decay", waarbij twee neutronen transformeren in twee protonen, waarbij de verwachte elektronen worden vrijgemaakt, maar niet de overeenkomstige neutrino's. Dit fenomeen kan gebeuren als neutrino's hun eigen antimaterie partnerpartikels blijken te zijn – een theoretische mogelijkheid maar verre van zekerheid. Als dat zo is, zouden de twee uitgestoten neutrino's elkaar vernietigen, zoals alle materie en antimateriepartners doen wanneer ze elkaar ontmoeten. Als neutrinoless dubbel beta-verval kan worden gemeten, zou de sterkte van het verval evenredig zijn aan de lichtste neutrinomassa. Tot nu toe is er echter geen experiment geweest.

The Theory's Missing Piece

Uiteindelijk moeten wetenschappers de resultaten van al deze verschillende methoden vergelijken. "Alleen door het combineren van alle mogelijke manieren om de neutrinomassa te meten, hebben we een eindig en robuust antwoord", zegt Mena. Maar als de schattingen verschillen, zeggen sommige wetenschappers, des te beter. "Een ding dat opwindend is, is: wat als we een meting doen vanuit de kosmologie, en we krijgen een antwoord dat niet overeenkomt met metingen van de deeltjesfysica?" Zegt de Gouvêa. "Dat zou een indicatie zijn van het feit dat er iets op deze foto is dat gewoon verkeerd is. Misschien is er iets mis met ons begrip van het vroege universum. Of misschien is er iets ongewoons aan het mechanisme voor neutrinomassa's, zoals de massa hangt af van waar u bent of wanneer u de meting uitvoert. Het klinkt gek, maar het is mogelijk. "

Zelfs zonder bewijs voor dergelijke bizarre scenario's, zou het vinden van een betrouwbare schatting van de neutrinomassa de fysica in een nieuwe richting duwen. Het standaardmodel voor deeltjesfysica, de beste theorieonderzoekers moeten de deeltjes en krachten in het universum beschrijven, voorspelde neutrino's waren gewichtloos. Het feit dat ze niet zijn biedt de mogelijkheid om de theorie uit te breiden. "Het standaardmodel is een van de meest precieze theorieën die de mensheid ooit heeft gebouwd," zegt Loureiro, "maar het mist een beetje. Het vinden van het ontbrekende stuk over neutrino's kan absoluut de sleutel zijn om te begrijpen wat donkere energie en donkere materie zijn, omdat ze ook niet in het standaardmodel zitten. ”

Het kosmologische deel van het antwoord zal in het volgende decennium preciezer worden, terwijl een aantal langverwachte nieuwe telescopen online komen. De Europese Euclid-telescoop bijvoorbeeld zal de precisie van 3D-kosmische kaarten drastisch verbeteren nadat deze in 2022 is gelanceerd. En het Dark Energy Spectroscopisch instrument in Arizona zal binnenkort de afstanden van 30 miljoen sterrenstelsels gaan onderzoeken. Ten slotte zal de Large Synoptic Survey Telescope, in aanbouw in Chili, om de paar nachten de hele hemel in beeld brengen, beginnend in 2022. "Iedereen is erg opgewonden," zegt de Gouvêa, "omdat ze in de komende vijf jaar moeten krijgen voor een gevoeligheid dat ze daadwerkelijk iets zouden moeten zien – ze zullen in staat zijn om een ​​observatie te doen, in tegenstelling tot alleen een grens stellen. "

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *