Vores estimater af størrelsen på et neutrino -spænd fra mindre end en atomkerne til så stor som et par meter, men nu begynder vi at indsnævre dens sande værdi
At fastgøre størrelsen på neutrinoen er en vanskelig opgave
Den første direkte måling af størrelsen på neutrinoen, en grundlæggende partikel, antyder, at de i det mindste er større end en atomkerne – men de kunne potentielt være billioner af gange større.
En del af problemet med at besvare dette spørgsmål er, at kvantemekanik, snarere end at være sfærisk, fortæller os, at partikler iboende er uklare bølger, der bevæger sig og vibrerer, når de rejser gennem rummet. Fysikere markerer grænserne for en partikel, og dermed dens størrelse ved at lede efter dens bølgepakke, et område, hvor bølgen vibrerer kraftigt, og ud over hvilken den skarpt trækker af.
For neutrinoer er det især udfordrende at måle bølgepakken, fordi disse partikler sjældent interagerer med normalt stof. Indtil nu har vi kun beregnet bølgepakkets størrelse indirekte med estimater, der spænder over en rækkevidde på 13 størrelsesordener – fra mindre end en atomkerne til så stor som et par meter eller 10 billioner gange større.
Nu har Joseph Smolsky på Colorado School of Mines og hans kolleger foretaget den første direkte måling af bølgepakken, idet de konstaterede, at neutrinoer skal være mindst hundreder af gange større end det tidligere mindste skøn, hvilket gør dem større end typiske atomkerner.
For at gøre dette målte Smolsky og hans team radioaktivt beryllium, da det forfaldt til lithium, en proces kaldet Electron Capture. Når dette sker, kombineres et elektron i berylliumatomet med en proton i sin kerne og producerer en neutron. Dette omdanner berylliumatomet til lithium og producerer et spark med energi, der fyrer atomet i en bestemt retning og generere en neutrino, der fyrer i den modsatte retning for at afbalancere momentumet. Ved at sætte beryllium inde i meget følsomme superledende detektorer og studere det ved hjælp af en partikelaccelerator, kunne de derefter måle lithiumatomerne ekstremt nøjagtigt og udlede neutrinos egenskaber.
Forskerne fandt, at neutrinoerne var mindst 6,2 picometrer, hvilket er hundreder af gange større end atomkernen. ”Det var lidt overraskende,” siger Smolsky. ”Når jeg tænker på en elektronfangstproces, kan jeg forestille mig det i kernen, fordi elektronet skal overlappe hinanden med en kerne. Men den grænse, vi viste, siger, at størrelsen på neutrinoen faktisk er meget større end selve kernen, når den kommer ud. ”
”Teknisk set er dette en meget vanskelig måling,” siger Alfons Weber ved Johannes Gutenberg University i Mainz, Tyskland. ”De brugte en virkelig meget pæn metode til at foretage en præcisionsmåling, noget som jeg troede, du aldrig kunne gøre.”
Måling af størrelsen på neutrino -bølgepakken er vigtig for at opbygge fremtidige neutrino -detektorer, der er i stand til nøjagtigt at måle, hvor ofte neutrinoer switches, eller svinger mellem tre forskellige typer, siger Weber.
Disse neutrino -svingninger er nøglen til at finde ud af, hvorfor der er mere sag end antimaterie i universet, men de kan kun måles nøjagtigt, hvis neutrinoen er over en bestemt størrelse. Hvis det er for lille, vil de tre forskellige typer neutrino, hver af en anden masse, smide over kanterne på neutrino -bølgepakken og ødelægge målingerne.
Tur
Cern og Mont Blanc, Dark and Frozen Matter: Schweiz og Frankrig
7. oktober 2025
6 dage dage