แบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคเป็นหนึ่งในผลงานที่น่าประทับใจที่สุดของวิทยาศาสตร์ เป็นความพยายามที่แม่นยำและแม่นยำในการทำความเข้าใจและอธิบายแรงพื้นฐานสามในสี่ของจักรวาล: แรงแม่เหล็กไฟฟ้าแรงนิวเคลียร์แรงและแรงนิวเคลียร์อ่อน แรงดึงดูดยังขาดหายไปเพราะจนถึงตอนนี้การปรับให้เหมาะกับรุ่นมาตรฐานนั้นมีความท้าทายอย่างมาก
แต่มีบางรูในโมเดลมาตรฐานและหนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับมวลของนิวตริโน
การมีอยู่ของนิวตริโนนั้นถูกเสนอครั้งแรกในปี 2473 จากนั้นตรวจพบในปี 2499 ตั้งแต่นั้นมานักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ว่ามีนิวตริโนสามประเภทและพวกมันมีความอุดมสมบูรณ์และเข้าใจยาก สิ่งอำนวยความสะดวกพิเศษเท่านั้นที่สามารถตรวจจับพวกมันได้เพราะพวกมันไม่ค่อยมีปฏิสัมพันธ์กับเรื่องอื่น มีแหล่งที่มาหลายแห่งสำหรับพวกเขาและบางส่วนก็ถูกซิปผ่านอวกาศตั้งแต่บิ๊กแบง แต่นิวตริโนส่วนใหญ่ที่อยู่ใกล้โลกมาจากดวงอาทิตย์
แบบจำลองมาตรฐานทำนายว่านิวตริโนไม่มีมวลเช่นโฟตอน แต่นักฟิสิกส์ได้ค้นพบว่านิวตริโนสามประเภทสามารถเปลี่ยนเป็นอีกชนิดหนึ่งได้ในขณะที่มันเคลื่อนไหว ตามที่นักฟิสิกส์พวกเขาควรจะสามารถทำได้ถ้าพวกเขามีมวล
แต่มวลเท่าไหร่ นั่นเป็นคำถามที่ฝึกฝนนักฟิสิกส์เกี่ยวกับอนุภาค และการตอบคำถามนั้นเป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่ผลักดันนักวิทยาศาสตร์ที่ KATRIN (การทดลอง Karlsruhe Tritium Neutrino)
“ การค้นพบเหล่านี้จากการทำงานร่วมกันของ KATRIN ลดช่วงมวลก่อนหน้าสำหรับนิวตริโนด้วยปัจจัยสองประการ…”
HAMISH ROBERTSON นักวิทยาศาสตร์ KATRIN และ EMERITUS ศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ในมหาวิทยาลัยวอชิงตัน
ทีมนักวิจัยพบคำตอบส่วนหนึ่ง: มวลของนิวตริโนสามารถมีขนาดไม่เกิน 1.1 โวลต์อิเล็กตรอน (eV) นี่คือการลดลงของขีด จำกัด สูงสุดของมวลของนิวตริโนเกือบ 1 eV; จาก 2 eV ลงไปที่ 1.1 eV จากการสร้างการทดลองก่อนหน้าซึ่งกำหนดขีด จำกัด มวลต่ำกว่าที่ 0.02 eV นักวิจัยเหล่านี้ได้กำหนดช่วงใหม่สำหรับมวลของนิวตริโน มันแสดงให้เห็นว่านิวตริโนมีมวลน้อยกว่า 1 / 500,000 ของอิเล็กตรอน นี่เป็นขั้นตอนสำคัญในการพัฒนาโมเดลมาตรฐาน
“ การรู้มวลของนิวตริโนจะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตอบคำถามพื้นฐานในจักรวาลวิทยาฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์อนุภาค ... ”
Hamish Robertson นักวิทยาศาสตร์ KATRIN และศาสตราจารย์กิตติคุณสาขาฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน
นักวิจัยที่อยู่เบื้องหลังงานนี้มาจากสถาบันวิจัย 20 แห่งทั่วโลก พวกเขากำลังทำงานกับ KATRIN ที่สถาบันเทคโนโลยี Karlsruhe ในประเทศเยอรมนี สิ่งอำนวยความสะดวก KATRIN มีสเปกโตรมิเตอร์ความละเอียดสูง 10 เมตรซึ่งช่วยให้สามารถวัดพลังงานอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำ
ทีม KATRIN นำเสนอผลลัพธ์ในการประชุมหัวข้อ Astroparticle และ Underground Physics ที่เมือง Toyama ประเทศญี่ปุ่นเมื่อวันที่ 13 กันยายนที่ผ่านมาในหัวข้อ 2019
“ การรู้มวลของนิวตริโนจะทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตอบคำถามพื้นฐานในจักรวาลวิทยาฟิสิกส์ดาราศาสตร์และฟิสิกส์อนุภาคเช่นการวิวัฒนาการของเอกภพ ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตัน “ การค้นพบนี้โดยความร่วมมือของ KATRIN ลดช่วงมวลก่อนหน้าสำหรับนิวตริโนด้วยปัจจัยสองประการวางหลักเกณฑ์ที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับสิ่งที่มวลของนิวตริโนเป็นจริงและจัดเตรียมเส้นทางไปข้างหน้า
นิวตริโนยากที่จะตรวจพบแม้ว่าจะมีมากมาย เฉพาะโฟตอนที่มีอยู่มากมาย เช่นเดียวกับชื่อของพวกเขาพวกเขาเป็นกลางทางไฟฟ้า ทำให้การตรวจจับทำได้ยากมาก มีหอสังเกตการณ์นิวตริโนจมอยู่ในน้ำแข็งแอนตาร์กติกและลึกลงไปในเหมืองร้าง พวกเขามักใช้น้ำหนักเพื่อดึงดูดนิวตริโนเพื่อโต้ตอบ เมื่อนิวตริโนมีปฏิสัมพันธ์มันจะสร้างรังสีเชอเรนคอฟที่สามารถวัดได้
“ หากคุณเติมระบบสุริยะด้วยตะกั่วเกินกว่าวงโคจรของพลูโตถึงห้าสิบเท่าประมาณครึ่งหนึ่งของนิวตริโนที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์จะยังคงออกจากระบบสุริยะโดยไม่ต้องโต้ตอบกับตะกั่วนั้น” โรเบิร์ตสันสันกล่าว
ประวัติความเป็นมาของนิวตริโนพัฒนาขึ้นเมื่อเวลาผ่านไปด้วยการทดลองเช่น KATRIN ในขั้นต้น Standard Model ทำนายว่านิวตริโนจะไม่มีมวล แต่ในปี 2544 เครื่องตรวจจับที่แตกต่างกันสองเครื่องแสดงให้เห็นว่ามวลของมันไม่เป็นศูนย์ รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2558 มอบให้กับนักวิทยาศาสตร์สองคนที่แสดงให้เห็นว่านิวตริโนสามารถสั่นระหว่างประเภทได้โดยแสดงว่าพวกเขามีมวล
สิ่งอำนวยความสะดวก KATRIN วัดมวลของนิวตริโนทางอ้อม มันทำงานได้โดยการตรวจสอบการสลายตัวของไอโซโทปซึ่งเป็นรูปแบบของไฮโดรเจนที่มีกัมมันตภาพรังสีสูง เมื่อไอโซโทปไอโซโทปสลายตัวมันจะปล่อยอนุภาคออกมาเป็นคู่: อิเล็กตรอนและแอนตี้ - นิวตริโน พวกเขาแบ่งปันพลังงาน 18,560 eV
ในกรณีส่วนใหญ่คู่ของอนุภาคจะมีค่า 18,560 eV เท่ากัน แต่ในบางครั้งอิเล็กตรอนจะปล่อยพลังงานส่วนใหญ่ออกไปทำให้นิวตริโนมีน้อยมาก ตัวอย่างที่หายากเหล่านี้คือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ให้ความสำคัญ
เนื่องจาก E = mC2 พลังงานจำนวนเล็กน้อยที่เหลือสำหรับนิวตริโนในกรณีที่หายากเหล่านี้จะต้องเท่ากับมวลของมันด้วย เนื่องจาก KATRIN มีอำนาจในการวัดอิเล็กตรอนได้อย่างแม่นยำจึงสามารถตรวจสอบมวลของนิวตริโนได้
“ การแก้ไขมวลของนิวตริโนจะนำเราไปสู่โลกใหม่ที่กล้าหาญในการสร้างแบบจำลองมาตรฐานใหม่” Peter Doe ศาสตราจารย์ด้านการวิจัยฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยวอชิงตันที่ทำงานกับ KATRIN กล่าว
แบบจำลองมาตรฐานใหม่นี้ที่โดกล่าวถึงอาจมีความเป็นไปได้ที่จะอธิบายสสารมืดซึ่งประกอบขึ้นเป็นเรื่องส่วนใหญ่ในจักรวาล ความพยายามเช่น KATRIN อาจตรวจพบนิวตริโนชนิดที่สี่ในวันหนึ่งซึ่งเรียกว่านิวตริโนที่ผ่านการฆ่าเชื้อแล้ว จนถึงประเภทที่สี่นี้เป็นเพียงการคาดเดา แต่เป็นตัวเลือกสำหรับสสารมืด
“ นิวตริโนเป็นอนุภาคเล็ก ๆ ที่แปลก” โดกล่าว “ พวกเขาแพร่หลายมากและมีมากที่เราสามารถเรียนรู้ได้เมื่อเรากำหนดค่านี้”
แสดงว่านิวตริโนมีมวลและการ จำกัด ช่วงของมวลนั้นมีความสำคัญ แต่นักฟิสิกส์อนุภาคยังไม่รู้ว่าจะได้รับมวลอย่างไร อาจแตกต่างจากที่อนุภาคอื่น ๆ ได้มา
ผลลัพธ์เช่นนี้จาก KATRIN ช่วยปิดช่องโหว่ในโมเดลมาตรฐานและในความเข้าใจโดยรวมของเราเกี่ยวกับจักรวาล จักรวาลเต็มไปด้วยนิวตริโนโบราณจากบิ๊กแบงและความก้าวหน้าในมวลของนิวตริโนช่วยให้เราเข้าใจว่าจักรวาลก่อตัวและวิวัฒนาการอย่างไร
มากกว่า:
- ข่าวประชาสัมพันธ์: KATRIN ลดการประเมินมวลสำหรับนิวตริโนที่เข้าใจยากครึ่งตัว
- สถาบันเทคโนโลยีแห่ง Karlsruhe: KATRIN
- เซิร์น: รุ่นมาตรฐาน
- นิตยสาร Symmetry: ห้าปริศนาที่โมเดลมาตรฐานไม่สามารถอธิบายได้
- MIT News: 3Q: นักวิทยาศาสตร์โกนประมาณมวลของนิวตริโนในช่วงครึ่งปี
