Neutrinoer er blandt de mest gåtefulde partikler i universet. De er allestedsnærværende, men alligevel interagerer ekstremt sjældent med stof.
I kosmologi påvirker de dannelsen af store galakstrukturer i galaksen, mens deres fysik i partikelfysik fungerer som en indikator for tidligere ukendte fysiske processer. Præcis måling af neutrino -massen er derfor vigtig for en fuldstændig forståelse af de grundlæggende naturlove.
Det er netop her, Katrin -eksperimentet med sine internationale partnere kommer i spil. Katrin anvender beta -forfaldet af Tritium, en ustabil brintisotop, til at vurdere massen af neutrinoer. Energifordelingen af elektronerne, der er resultatet af forfaldet, muliggør en direkte kinematisk bestemmelse af neutrino -masse.
Arbejdet offentliggøres i tidsskriftet Videnskab.
Opnåelse af dette kræver meget avancerede tekniske komponenter: den 70 meter lange stråleline huser en intens tritiumkilde samt et spektrometer med høj opløsning med en diameter på 10 meter. Denne avancerede teknologi giver mulighed for en hidtil uset præcision i direkte neutrino-massemålinger.
Med de aktuelle data fra Katrin -eksperimentet er en øvre grænse på 0,45 elektronvolt/c2 (svarende til 8 x 10-37 Kilogrammer) kunne afledes for neutrino -masse. Sammenlignet med resultaterne fra 2022 kunne den øvre grænse således reduceres med næsten en faktor på to.
Evaluering af dataene
Kvaliteten af de første datasæt er støt forbedret siden målingens start i 2019.
“For dette resultat har vi analyseret fem målekampagner, i alt ca. 250 dages dataindsamling fra 2019 til 2021-ca. 25% af de samlede data, der forventes fra Katrin,” forklarer Kathrin Valerius (KIT), en af de to co-spokere af eksperimentet.
Susanne Mertens (Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) og Technical University München (TUM)) tilføjer, “Med hver kampagne har vi fået ny indsigt og yderligere optimeret de eksperimentelle forhold.”
Evalueringen af de ekstremt komplekse data udgjorde en enorm udfordring og krævede det højeste præcisionsniveau fra det internationale dataanalyseteam.
“Analysen af Katrin-dataene er meget krævende, da et hidtil uset niveau af nøjagtighed er påkrævet,” understreger Alexey Lokhov (KIT), co-analysekoordinator. Christoph Wiesinger (Tum/MPIK), co-analysekoordinator, tilføjer, “Vi er nødt til at anvende avancerede analysemetoder, hvor kunstig intelligens spiller en afgørende rolle.”
Udsigter for fremtidige målinger
Forskerne siger, “Vores målinger af neutrino -massen vil fortsætte indtil udgangen af 2025. Gennem den kontinuerlige forbedring af eksperimentet og analysen samt et større datasæt forventer vi en endnu højere følsomhed – og muligvis banebrydende nye opdagelser,” siger Katrin -teamet.
Katrin fører allerede det globale felt af direkte neutrino -massemålinger og har overgået resultaterne af tidligere eksperimenter med en faktor på fire med dets oprindelige data. De seneste fund viser, at neutrinoer er mindst en million gange lettere end elektroner, de letteste elektrisk ladede elementære partikler. At forklare denne enorme masseforskel er stadig en grundlæggende udfordring for teoretisk partikelfysik.
Ud over den nøjagtige måling af neutrino -masse planlægger Katrin allerede den næste fase. Fra 2026 installeres et nyt detektorsystem, Tristan,.
Denne opgradering til eksperimentet vil muliggøre søgningen efter en steril, hypotetisk partikel, der interagerer endnu mere svagt end de kendte neutrinoer.
Med en masse i kev/c2 Range, sterile neutrinoer er en potentiel kandidat til mørkt stof. Derudover vil Katrin ++ lancere et forsknings- og udviklingsprogram, der sigter mod at designe koncepter til et næste generations eksperiment, der er i stand til at opnå endnu mere præcis mål for direkte neutrino-masse.