KATRIN - прецизионные весы для нейтрино
Технологический институт Карлсруэ (KIT) в настоящее время имеет самый точный в мире баланс для нейтрино. Он все еще должен быть в состоянии взвесить массы этих частиц-призраков, даже если они имеют значительно меньшую, чем миллионную часть массы электрона. И специалисты по частицам, и астрофизики с нетерпением ждут результатов.
25 ноября 2006 года огромный мерцающий серебристый автомобиль протискивался по узким улочкам Леопольдсхафена недалеко от Карлсруэ. Это был самый большой сверхвысоковакуумный контейнер в мире, который за несколько недель был готов к первым тестовым измерениям в Карлсруэ Tritium N Эксперимент eutrino, KATRIN, в эксплуатацию пойдет. И это должно помочь наконец разгадать великую тайну массы нейтрино.
Нейтрино, образовавшиеся во время Большого Взрыва, наряду с фотонами, являются самыми распространенными элементарными частицами во Вселенной. В каждом томе размером со спичечный коробок их почти десять тысяч. Нейтрино образуются внутри Солнца и других звезд или при звездных взрывах. Поскольку они почти беспрепятственно проникают в материю, их трудно обнаружить и изучить. Поскольку их массы до сих пор неизвестны, они представляют собой большое неизвестное в Стандартной модели элементарных частиц, и в то же время неясно, какое влияние они оказали на развитие космоса.
Для наиболее точного на сегодняшний день определения массы KATRIN использует радиоактивный распад трития, точнее его бета-распад. Таким образом, исследователи продолжают захватывающую историю открытия нейтрино.
Отчаянный выход
"Дорогие радиоактивные дамы и господа": С такими словами физик Вольфганг Паули обратился кДекабрь 1930 г. письмо коллегам с далеко идущими последствиями. В 1920-х годах физики изучали бета-распад радиоактивных элементов. Электрон вылетел из распадающегося ядра. До и после распада материнский и дочерний элементы имели четко определенные, измеримые энергетические состояния, разницу между которыми должен был унести электрон. Вместо этого электроны обладали разными энергиями, а остальные, казалось, таинственным образом исчезли. Был ли здесь нарушен священный закон сохранения энергии, согласно которому энергия не может теряться? Кроме того, оказалось, что вращение и импульс также не сохраняются.
Чтобы объяснить это непонятное поведение, Паули постулировал участие невидимой элементарной частицы в бета-распаде «как отчаянный выход». Он должен нести недостающее количество энергии и импульса и иметь определенный спин, чтобы привести в порядок законы сохранения.
Согласно экспериментальным данным, неизвестная частица должна была быть электрически нейтральной, поэтому Паули дал ей название нейтрон. Но когда в 1932 году британский физик Джеймс Чедвик открыл нейтральный структурный элемент ядра, его назвали нейтроном, и Энрико Ферми переименовал нейтрон Паули в нейтрино (малый нейтрон).
26 лет спустя после своего письма к «радиоактивным леди и джентльменам» Вольфганг Паули получил телеграмму из Лос-Аламоса. В нем Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс радостно сообщили ему, что они впервые обнаружили нейтрино. Это были электронные антинейтрино, созданные внутри ядерного реактора Саванна-Ривер. До открытия двух других типов нейтрино было еще далеко: мюонное нейтрино впервые появилось в 1962 г., тау-нейтрино - в 2000 г. Эти три типа нейтрино называются флейворными состояниями.
В 1990-х годах физики обнаружили, что нейтрино меняют свою идентичность. Например, если они созданы как электронные нейтрино в результате ядерной реакции внутри Солнца, некоторые из них могут трансформироваться в мюонные нейтрино на пути к Земле и обратно. Поэтому они колеблются между состояниями, или, как говорят физики, колеблются. В последние годы исследователи использовали различные эксперименты для определения расстояний и вероятностей этих колебаний. Исходя из этого, можно рассчитать разницу масс различных типов нейтрино, но не абсолютные значения массы отдельных типов. Это можно получить только при чрезвычайно точном анализе бета-распада, столь важного с точки зрения физики и истории. И именно здесь в игру вступает KATRIN.
Запущен спектрометр KATRIN
Международная группа астрофизиков хочет использовать 70-метровый эксперимент для измерения бета-распада трития с беспрецедентной точностью. Тритий, также известный как сверхтяжелый водород, лучше всего подходит для этого по ряду причин.
Во-первых, с одним протоном и двумя нейтронами в ядре это самый простой изотоп, подвергающийся бета-распаду. Благодаря короткому периоду полураспада в 12,3 года физики достигают около ста миллиардов распадов в секунду с тем количеством газообразного трития, которое используется в KATRIN..
С другой стороны, энергия распада 18 600 электрон-вольт (эВ) очень мала. Это выгодно, потому что при каждом распаде энергия делится между электроном и электронным антинейтрино. Если одна частица получает больше энергии, то другой доступна лишь меньшая ее часть. Необходимо учитывать, что энергия частицы складывается из ее кинетической энергии (скорости) и массы покоя. По знаменитой формуле Эйнштейна E=mc2 масса покоя m может быть преобразована в энергию через квадрат скорости света c.
Поскольку ищется только масса покоя электронного антинейтрино, исследуются бета-распады, в которых он не получает никакой кинетической энергии. Согласно балансу энергии при распаде, в этом (крайне редком) случае электрон имеет максимальную кинетическую энергию.
Таким образом, задачей КАТРИН будет измерение формы спектра энергий электронов вблизи конечной точки распада трития, где кинетическая энергия электронов максимальна. Несмотря на высокую скорость распада, физикам приходится годами проводить измерения, чтобы определить массу покоя нейтрино.
До 2000 года предыдущие эксперименты с тритием могли указывать только на верхний предел 2 эВ/c². Он был создан физиками из Майнца и Тройска в России. Однако это все еще слишком неточно для многих вопросов физики элементарных частиц. KATRIN должен достичь нижнего предела обнаружения 0,2 эВ/c². Для сравнения: Электрон весит 511 000 эВ/c²
Десятикратное увеличение точности, к которому стремится KATRIN, требует значительных технических усилий. Используемый молекулярный тритий высокой чистоты должен храниться при температуре 30 Кельвинов. Пространственные и временные флуктуации в источнике не должны превышать значения 0,1 процента, чтобы установить постоянную плотность газа и, следовательно, постоянную активность распада.
Высвобождающиеся при распаде электроны вылетают из ядер во все стороны. Однако сильное магнитное поле отклоняет их таким образом, что половина из них летит в сторону большого спектрометра, который, как описано выше, был с большим искусством направлен через Леопольдсхафен. Внутри спектрометра электроны должны преодолеть электрическое поле, чтобы определить свою энергию. Это похоже на мини-гольф, где мяч может пересечь холм только с соответствующей скоростью (энергией). В KATRIN это могут сделать только самые быстрые и, следовательно, очень немногие электроны. Вероятность этого примерно так же велика, как выигрыш в лотерею два раза подряд. Чтобы гарантировать, что электроны не потеряют свою орбиту, спектрометр должен работать с таким же хорошим вакуумом, как на лунной поверхности. Те немногие электроны, которые проходят через спектрометр, подсчитываются в детекторе размером с пивную подставку.
Напряжение растет
Технически физики с KATRIN доходят до пределов технических возможностей многих компонентов. «Температурная стабилизация десятиметрового источника трития оказалась особенно сложной задачей», - объясняет Гвидо Дрекслин из KIT в Карлсруэ, который отвечает за строительные работы на площадке, а также является одним из двух научных директоров KATRIN.. «В наших тестах мы даже достигли стабильности в одну десятую промилле, что является важной вехой», - говорит он. Разработка сверхпроводящих катушек, генерирующих магнитное поле, была еще одним техническим препятствием, для преодоления которого потребовалось больше времени и усилий, чем предполагалось. Эти и другие причины стали причиной того, что высокотехнологичный объект стоимостью около 60 миллионов евро будет запущен на несколько лет позже запланированного срока.
Когда большой спектрометр будет запущен и запущен в первый раз, 70-метровая установка будет вводиться в эксплуатацию шаг за шагом, так что исследователи смогут, наконец, приступить к работе в конце 2015 года. «Возможно, мы сможем представить первый значимый промежуточный результат уже в конце 2016 года», - надеется второй научный руководитель Кристиан Вайнхаймер из Университета Мюнстера, уже участвовавший в эксперименте в Майнце.
Первых результатов ждут не только многочисленные преданные своему делу исследователи из KATRIN из пяти стран, но и специалисты по частицам и астрофизики во всем мире. Волнение велико, особенно после того, как 21 марта этого года космологи объявили о первых результатах космической обсерватории «Планк». Новые измерения космического фонового излучения позволяют также сделать выводы о максимально допустимой массе нейтрино. Одна оценка даже приходит к выводу, что электронные, мюонные и тау-нейтрино вместе имеют массу не более 0,23 эВ/c2». в связи со специфическим космологическим мировоззрением», - говорит Вайнхаймер. Исследователи Planck делятся этой оценкой в своих публикациях и подчеркивают, что их результаты сильно зависят от модели.
«Однако с KATRIN мы проводим измерения, которые не требуют модельных предположений. И это не первый случай, когда нейтрино ведут себя совершенно иначе, чем считает большинство теоретиков», - отмечают два представителя KATRIN. Вольфганг Паули, безусловно, согласился бы с ними.