Een grote elektronen tellende machine heeft indirect een meting van het meest gladde bekende deeltje in de natuurkunde opgevoerd - en toegevoegd aan het bewijs voor donkere materie.
Die meting is het eerste resultaat van een internationale inspanning om de massa neutrino's te meten - deeltjes die ons universum vullen en de structuur ervan bepalen, maar die we nauwelijks kunnen detecteren. Neutrino's hebben volgens het in Duitsland gevestigde Karlsruhe Tritium Neutrino-experiment (KATRIN) niet meer dan 0,0002% van de massa van een elektron. Dat aantal is zo laag dat zelfs als we alle neutrino's in het universum bij elkaar optelden, ze de ontbrekende massa niet konden verklaren. En dat feit draagt bij aan de stapel bewijsmateriaal voor het bestaan van donkere materie.
KATRIN is in feite een zeer grote machine voor het tellen van de superhoge energie-elektronen die uit een monster van tritium barsten - een radioactieve vorm van waterstof. met één proton en twee neutronen in elk atoom. Tritium is onstabiel en zijn neutronen vervallen in elektronen-neutrinoparen. KATRIN zoekt naar de elektronen en niet naar de neutrino's omdat de neutrino's te zwak zijn om precies te meten. En de machine gebruikt tritiumgas, volgens Hamish Robertson, een KATRIN-wetenschapper en emeritus hoogleraar aan de Universiteit van Washington, omdat het de enige elektronenneutrino-bron is die eenvoudig genoeg is om een goede massameting uit te halen.
Neutrino's zijn min of meer onmogelijk om zelf nauwkeurig te meten omdat ze zo weinig massa hebben en de neiging hebben om detectoren over te slaan zonder met hen te interageren. Dus om de massa van de neutrino's te achterhalen, vertelde Robertson aan WordsSideKick.com, KATRIN telt de meest energetische elektronen en werkt achteruit van dat aantal om de massa van de neutrino af te leiden. De eerste resultaten van KATRIN zijn aangekondigd en de onderzoekers kwamen tot een vroege conclusie: Neutrino's hebben een massa van niet meer dan 1,1 elektronvolt (eV).
Elektronvolt zijn de eenheden van massa en energie die natuurkundigen gebruiken wanneer ze het hebben over de kleinste dingen in het universum. (Op de schaal van fundamentele deeltjes worden energie en massa gemeten met dezelfde eenheden, en de neutrino-elektronenparen moeten gecombineerde energieniveaus hebben die equivalent zijn aan hun bronneutron.) Het Higgs-deeltje, dat andere deeltjes hun massa verleent, heeft een massa van 125 miljard EV. Protonen, de deeltjes in het centrum van atomen, hebben een massa van ongeveer 938 miljoen eV. Elektronen zijn slechts 510.000 eV. Dit experiment bevestigt dat neutrino's ongelooflijk klein zijn.
KATRIN is een zeer grote machine, maar de methoden zijn eenvoudig, zei Robertson. De eerste kamer van het apparaat zit vol met gasvormig tritium, waarvan de neutronen van nature vervallen tot elektronen en neutrino's. Natuurkundigen weten al hoeveel energie er bij betrokken is als een neutron vervalt. Een deel van de energie wordt omgezet in de massa van de neutrino en de massa van het elektron. En de rest wordt in die nieuw gecreëerde deeltjes gegoten, en bepaalt ruwweg hoe snel ze gaan. Meestal wordt die extra energie redelijk gelijkmatig verdeeld tussen het elektron en de neutrino. Maar soms wordt de meeste of alle resterende energie in een of ander deeltje gedumpt.
In dat geval wordt alle energie die overblijft nadat het neutrino en het elektron zijn gevormd, in de elektronenpartner gedumpt en vormt het een superhoge energie-elektron, zei Robertson. Dat betekent dat de massa van het neutrino kan worden berekend: het is de energie die betrokken is bij het verval van het neutron minus de massa van het elektron en het maximale energieniveau van elektronen in het experiment.
De natuurkundigen die het experiment ontwierpen, probeerden niet de neutrino's te meten; die mogen onaangeroerd uit de machine ontsnappen. In plaats daarvan leidt het experiment de elektronen naar een gigantische vacuümkamer, de spectrometer. Een elektrische stroom creëert dan een zeer sterk magnetisch veld waar alleen de elektronen met de hoogste energie doorheen kunnen. Aan de andere kant van die kamer staat een apparaat dat telt hoeveel elektronen het veld passeren. Terwijl KATRIN de magnetische veldsterkte langzaam verhoogt, zei Robertson, krimpt het aantal elektronen - bijna alsof het helemaal tot nul zou vervagen. Maar helemaal aan het einde van dat spectrum van elektronenergieniveaus gebeurt er iets.
'Het spectrum sterft plotseling af, voordat je het eindpunt bereikt, omdat de massa van de neutrino niet door het elektron kan worden gestolen. Het moet altijd worden achtergelaten voor de neutrino's', zei Robertson. De massa van de neutrino moet minder zijn dan die kleine hoeveelheid energie die helemaal aan het einde van het spectrum ontbreekt. En na enkele weken runtime beperkten de onderzoekers dat aantal tot ongeveer de helft van het aantal dat natuurkundigen eerder wisten.
Het idee dat neutrino's überhaupt massa hebben, is revolutionair; het Standard Model, de belangrijkste natuurkundetheorie die de subatomaire wereld beschrijft, benadrukte Robertson eens dat neutrino's geen massa hadden. Al in de jaren tachtig probeerden Russische en Amerikaanse onderzoekers neutrino-massa's te meten, maar hun resultaten waren problematisch en onnauwkeurig. Op een gegeven moment pingen Russische onderzoekers de massa van de neutrino op precies 30 eV - een mooi aantal dat neutrino's zou hebben onthuld als de ontbrekende schakel die de grootse zwaartekrachtstructuur van het universum zou hebben verklaard en alle ontbrekende massa zou hebben ingevuld - maar één dat bleek niet te kloppen.
Robertson en zijn collega's begonnen toen voor het eerst met gasvormig tritium te werken, nadat ze zich realiseerden dat de zwak radioactieve stof de meest precieze bron van neutronenverval bood die de wetenschap ter beschikking staat.
'Dit is een lange zoektocht geweest', zei Robertson. "De Russische meting van 30 eV was erg spannend omdat het het universum gravitationeel zou hebben gesloten. En het is daarom nog steeds spannend. Neutrino's spelen een grote rol in de kosmologie, en ze hebben waarschijnlijk de grootschalige structuur van het universum gevormd."
Al die vage deeltjes die rondvliegen, trekken met hun zwaartekracht aan al het andere en halen energie uit al het andere. Hoewel het massagetal kleiner wordt, zei Robertson, wordt de precieze rol die deze kleine deeltjes spelen ingewikkelder.
Het 1.1 eV-nummer, zei de onderzoeker, is interessant omdat het het eerste experimenteel afgeleide neutrino-massagetal is dat niet hoog genoeg is om de structuur van de rest van het universum alleen te verklaren.
'Er is materie waarvan we nog niets weten. Er is donkere materie', en die kan niet worden gemaakt van de neutrino's die we kennen, zei hij.
Dus dit kleine aantal uit een grote vacuümkamer in Duitsland draagt op zijn minst bij aan de stapel bewijs dat het universum elementen heeft die de natuurkunde nog steeds niet begrijpt.
