До настоящего времени.Группа из почти 30 ученых и инженеров из шести исследовательских институтов сообщила о прямом обнаружении циклотронного излучения отдельных электронов 20 апреля в Physical Review Letters. Они использовали специально разработанный спектроскопический метод, который позволял им измерять энергию электронов, по одному электрону за раз.
Помимо возбуждения от фактического обнаружения этого излучения от одной фундаментальной заряженной частицы — электрона — этот метод предоставляет новый способ потенциально измерить массу нейтрино, субатомной частицы, которая весит не более двух миллиардов протона.«Одна из самых больших проблем современной физики — это неизвестная масса нейтрино», — сказал физик Брент ВанДевендер, ведущий научный сотрудник Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США. «Вселенная полна нейтрино. Их так много, что не имеет значения, сколько они весят.
Даже при двух миллиардных долях массы протона они перевесили бы все остальное нормальное вещество во Вселенной, такое как звезды, планеты и пыль, и влияют на формирование крупномасштабных структур, подобных скоплениям галактик ».Внутри атома
Физики пытаются понять самые маленькие части Вселенной. Типичные атомы, из которых состоит вся материя, содержат ядро, окруженное облаком электронов.
Ядро содержит положительно заряженные частицы, называемые протонами, и инертные частицы, называемые нейтронами, которые придают атому вес. Электроны заряжены отрицательно и летают вокруг ядра.
Эти частицы могут казаться не связанными друг с другом, но инертные нейтроны иногда превращаются в протоны в так называемом бета-распаде. Протон остается, в то время как электрон и нейтральный бит, называемый нейтрино, устремляются во Вселенную.Поскольку они такие маленькие и не несут заряда, нейтрино трудно измерить.
В настоящее время ученые определили, насколько тяжелым может быть нейтрино. Сравнение массы нейтрино с нейтроном было бы похоже на сравнение малыша с Великой пирамидой в Гизе.В настоящее время предпринимаются несколько попыток по непосредственному обнаружению и измерению массы нейтрино, например ядерно-физический эксперимент KATRIN в Германии.
Эти огромные усилия включают сотни исследователей и создание аналитических инструментов размером с большой дом. Даже в этом случае есть шанс, что нейтрино будет слишком маленьким, чтобы его можно было обнаружить с помощью таких экспериментов.Около пяти лет назад двое соавторов этого исследования предположили, что, возможно, вместо того, чтобы обнаруживать нейтрино или даже электроны напрямую, они могли бы подойти к проблеме боком, измеряя циклотронное излучение электронов, которое может выявить энергию электрона.Если они измерят с достаточной точностью электроны, испускаемые, когда водород, несущий два дополнительных нейтрона — атом трития — бета-распад до гелия-3, они смогут вывести массу нейтрино, сложив энергии гелия-3 и электрон, и сравнивая это с атомом трития.
Если они не составляют целый атом трития, разница должна быть массой нейтрино.Измерение массы с помощью энергии?
Да, благодаря Эйнштейну и специальной теории относительности. Поскольку масса и энергия связаны, команда может измерить энергию электронов и таким образом получить массу. Собрав несколько десятков сотрудников в Проект 8, команда разработала для этого новый метод под названием Циклотронная эмиссионная спектроскопия и продемонстрировала его в этом исследовании.CRES произвести впечатление
Инструмент, который разработала команда, высотой примерно с несколько бочек с вином, поставленных друг на друга, намного меньше дома. Чтобы максимизировать свои шансы на успех, они начали с наилучших возможных условий. Они выбрали атом, который дал бы им чистую и легко читаемую спектроскопическую информацию. Этот атом, форма криптона, называемая метастабильным криптоном-83 (или 83mKr), распадется и даст им много электронов, которые они смогут захватить в своем магнитном поле.
Когда они захватывали одиночные электроны в поле, они измеряли, как быстро они проносятся по кругу, что приводило их к энергии электронов. Энергия, которую они измерили для электронов криптона, составила ожидаемые 30,4 килоэлектронвольт.
Их точность была в пределах 0,05 процента от цели — недостаточно, чтобы вывести нейтрино, но очень хорошее начало.«Масса нейтрино крошечная, поэтому спектроскопия должна быть безупречной. В конце концов, нам нужно сделать примерно в 10 раз лучше», — сказал ВанДевендер.
По его словам, они не ожидали достаточной точности для измерения нейтрино в этом прототипе эксперимента, поэтому самым захватывающим результатом на данный момент было обнаружение циклотронного излучения.«Никто никогда не сомневался в его существовании, но по-прежнему круто быть первым, кто наблюдал за основным феноменом природы. Это предсказание висит там с 1904 года, и потребовалось 110 лет, чтобы кто-то подтвердил его на уровне отдельные элементарные частицы ", — сказал ВанДевендер.
Бета-тестВанДевендер предсказал, что для измерения массы нейтрино потребуется еще десять лет, и, возможно, KATRIN может сначала его взвесить. Следующий шаг — повторить эксперименты с криптоном, которые они провели с тритием.Как только они овладеют этим, им придется выяснить, как масштабировать, чтобы разместить больше трития в гораздо больших объемах, чтобы получить информацию, необходимую для определения массы нейтрино.
В дополнение к PNNL, исследователи из следующих учреждений внесли свой вклад в это исследование: Национальная радиоастрономическая обсерватория, Шарлоттсвилль, штат Вирджиния, Калифорнийский университет, Санта-Барбара, Вашингтонский университет, Сиэтл, Массачусетский технологический институт, Кембридж, и Институт Kernphysik, Карлсруэр. Институт технологий, Карлсруэ, Германия.
Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства энергетики, Исследовательским фондом Вашингтонского университета, стипендиатом Уэйда Массачусетского технологического института, Национальным научным фондом и PNNL.