Какова масса нейтрино и какую роль оно играет в развитии нашей Вселенной? Этот захватывающий вопрос физики теперь должен быть прояснен KATRIN, экспериментом с тритиевыми нейтрино в Карлсруэ. KATRIN - это проект нескольких европейских и американских институтов.
Центральный элемент - так называемый основной спектрометр - будет иметь диаметр около десяти метров и длину 24 метра. 5 сентября 2005 г. трехлетний этап строительства эксперимента начался с церемонии закладки фундамента большого испытательного зала. KATRIN стоит около 33 миллионов евро и начнется с первых измерений в 2008 году.
Около 100 ученых, техников и студентов уже работают над крупномасштабным экспериментом под руководством Исследовательского центра Карлсруэ.
Нейтрино имеют массу
Нейтрино теоретически были предсказаны как элементарные частицы еще в 1930 году. Экспериментальное доказательство было получено только в 1957 году, поскольку нейтрино трудно измерить из-за их слабого взаимодействия с веществом. Поэтому лишь несколько лет назад было известно, что нейтрино имеют маленькую, но не нулевую массу. Вопрос о том, насколько велика эта масса, остается открытым.
Эксперимент KATRIN (KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment), строящийся в настоящее время в Исследовательском центре Карлсруэ, призван прояснить этот вопрос, являющийся одним из ключевых в современной физике. Масса нейтрино имеет значение для физики элементарных частиц, астрофизики и космологии. После Большого взрыва нейтрино повлияли на крупномасштабную структуру Вселенной.
KATRIN использует эффект, который физик Вольфганг Паули использовал для предсказания нейтрино в 1930 году: во время бета-распада в атомных ядрах нейтрон превращается в протон и электрон. Однако образующийся электрон не имеет фиксированной энергии, а колеблется от нуля до максимальной энергии, что практически соответствует всей энергии, выделяющейся при распаде. Однако при бета-распаде всегда выделяется постоянная энергия.
Энергия нейтрино под увеличительным стеклом
Чтобы гарантировать выполнение фундаментальных законов физики (сохранение энергии и импульса), разница между энергией электронов (масса покоя плюс кинетическая энергия) и полной энергией должна быть заменена другим частица, нейтрино. Энергия нейтрино теперь снова состоит из двух компонентов - массы покоя и кинетической энергии.
Поскольку нейтрино от распада трития не могут быть обнаружены, необходимо использовать измерение электрона: Из точного наблюдения энергетического спектра электронов вблизи максимальной энергии, массы нейтрино можно вывести. Если нейтрино имеет массу и, таким образом, обладает минимальной энергией, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc² энергетический спектр будет изменяться вблизи максимальной энергии бета-распада.
KATRIN использует тритий в качестве бета-излучателя, тяжелую форму водорода, период полураспада которого составляет 12,3 года.
Во время бета-распада трития выделяется полная энергия 18 600 электрон-вольт, которая распределяется между электроном и нейтрино. Энергия электронов исследуется в самом сердце KATRIN, огромного основного электростатического спектрометра. Спектрометр будет иметь диаметр около 10 метров и длину 24 метра; общая длина эксперимента составит 70 метров.
Много технических проблем, которые необходимо преодолеть
«Исследовательский центр в Карлсруэ - почти единственное возможное место в мире для проведения этого сложного эксперимента», - объясняет профессор Йоханнес Блюмер из Института ядерной физики в Исследовательском центре в Карлсруэ.«Все необходимые технические требования можно найти здесь: тритиевая лаборатория Карлсруэ (TLK), единственная в Европе, опыт работы с высоким вакуумом и криотехнологиями для больших научных аппаратов, опыт разработки сверхпроводников, ноу-хау и инфраструктура для строительства и работа таких крупномасштабных систем и, конечно же, превосходство в физике нейтрино и астрочастиц. Ведь только крупное научное учреждение может взять на себя основное бремя финансирования такого крупного прибора, который предоставляется из бюджета Товарищества Гельмгольца».
По этой причине международное сотрудничество, в котором участвуют практически все научно-исследовательские институты Европы и США, занимающиеся исследованиями нейтрино, выбрало в качестве места проведения исследовательский центр в Карлсруэ. Двенадцать научно-исследовательских институтов, в которых работает около ста ученых, техников и студентов, в настоящее время участвуют в проекте KATRIN.
Строительство KATRIN связано с множеством технологических задач. Это включает в себя обеспечение и поддержание требуемой чистоты трития в течение длительного периода времени, температурную стабильность источника с отклонениями менее одного промилле при 27 Кельвинах (-246 градусов Цельсия), экстремально высокий вакуум (менее 10(-11) гектопаскалей) в огромном объеме основного спектрометра (около 1400 кубических метров), разработке и эксплуатации большого количества сверхпроводящих магнитов и точной стабилизации высокого напряжения около 20000 вольт.