Το άφαντο σωματίδιο και η KATRIN

Από τον Θ. Μερτζιμέκη, Αναπληρωτή Καθηγητή, Τμήμα Φυσικής, ΕΚΠΑ

Τα νετρίνα, αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια ύλης που κατακλύζουν το γνωστό μας Σύμπαν, ξεκίνησαν ως νοητικό πείραμα στη διάνοια του Wolfgang Pauli το 1930, ο οποίος προσπάθησε να εξηγήσει τα χαρακτηριστικά της πυρηνικής διάσπασης β, ενός βασικού φαινομένου, του οποίου η απήχηση επεκτείνεται από τη διαμόρφωση του Σύμπαντος ως τη θεραπεία του καρκίνου.

Παρά τα περίπου 70 χρόνια που έχουν περάσει από τότε που μας έχουν συστηθεί στο εργαστήριο, τα νετρίνα εξακολουθούν να μας είναι άγνωστα στην πλειοψηφία των ιδιοτήτων τους. Παράγονται σε πυρηνικές διασπάσεις και σε πυρηνικές αντιδράσεις, όπως αυτές που τροφοδοτούν τον ‘Ήλιο μας. Το βασικό τους χαρακτηριστικό είναι ότι δεν αλληλεπιδρούν ιδιαίτερα με άλλα σωματίδια ύλης και έτσι είναι πολύ δύσκολο να ανιχνευθούν και να μελετηθούν από τους ερευνητές. Δεν είναι τυχαίο λοιπόν που το σύνηθες προσωνύμιο που τους αποδίδεται είναι τα άφαντα ή άπιαστα σωματίδια (elusive neutrinos). Ακόμη και η μάζα τους, η πιο βασική ιδιότητα των συστατικών της ύλης παραμένει άγνωστη. Ως και το 1998, θεωρούνταν σωματίδια χωρίς μάζα, κύματα ενέργειας που ταξιδεύουν τεράστιες αποστάσεις χωρίς να αλληλεπιδρούν με την ύλη των αστρικών σχηματισμών.

Πολύ πρόσφατα, σε ένα πρωτοποριακό πείραμα με βασικό στόχο την άμεση μέτρηση της μάζας των νετρίνων, στην πειραματική διάταξη KATRIN στο κέντρο πυρηνικών ερευνών της Καρλσρούης με παραγωγή νετρίνου από τρίτιο (Karlsruhe Tritium Neutrino – KATRIN) στη Νοτιοδυτική Γερμανία, οι πυρηνικοί φυσικοί έφτασαν σε νεό ρεκόρ ευαισθησίας για τη μάζα του σωματιδίου, διαπιστώνοντας ότι η τιμή της πρέπει να είναι κάτω από 0.8 eV (eV: ηλεκτρονιοβόλτ). Η ερευνητική ομάδα αναφέρει ότι η KATRIN θα είναι σύντομα σε θέση να μετρήσει χαμηλότερες τιμές μάζας με αυξημένη ακρίβεια, σε επίπεδα όχι πολύ μακριά από αυτές που προτείνουν οι κοσμολογικές παρατηρήσεις.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα από την ανακάλυψη των ταλαντώσεων νετρίνων το 1998 – μια αλλαγή της «γεύσης» τους, η οποία είναι δυνατή μόνο εάν η μάζα τους δεν είναι μηδενική. Η ανακάλυψη ότι τα νετρίνα έχουν πεπερασμένη μάζα ήρθε να συνταράξει το καθεστώς της σύγχρονης φυσικής και να προσφέρει σενάρια για νέα φυσική, καθιστώντας τα νετρίνα ως υποψήφια σωματίδια Σκοτεινής Ύλης. Οι φυσικοί προσπαθούν εδώ και καιρό να εντοπίσουν αυτή την τιμή μάζας, καθώς και να καταλάβουν γιατί το σωματίδιο διαθέτει μάζα. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν να προσφέρουν το έναυσμα για αναθεώρηση του Καθιερωμένου Προτύπου, είναι ζωτικής σημασίας για την κοσμολογία, αλλά και για την επανεξέταση θεμελιωδών συμμετριών που κυβερνούν το Σύμπαν μας.

Ωστόσο, η μέτρηση της μάζας του νετρίνου δεν είναι εύκολη υπόθεση. Η μέθοδος που επιλέχθηκε στο KATRIN έχει τις ρίζες της στο 1934 όταν ο Enrico Fermi πρότεινε τη μελέτη της πυρηνικής διάσπασης β. Σε αυτή τη διάσπαση, ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο, απελευθερώνοντας ένα ηλεκτρόνιο και έναν τύπο νετρίνου που ονομάζεται αντινετρίνο. Εάν το νετρίνο έχει μάζα, θα λάβει ένα μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται από τη διάσπαση, περιορίζοντας με αυτό τον τρόπο τη μέγιστη ενέργεια του απελευθερωμένου ηλεκτρονίου, την οποία μπορούμε να μετρήσουμε στο εργαστήριο, προσφέροντας έτσι έναν άμεσο τρόπο προσδιορισμού της μάζας των νετρίνων. H KATRIN σχεδιάστηκε για να είναι το πιο ευαίσθητο πείραμα αυτού του είδους, χρησιμοποιώντας την πιο ισχυρή πηγή διασπάσεων β στον κόσμο από το τρίτιο (ένα βαρύ ισότοπο υδρογόνου), ένα γιγάντιο φασματόμετρο σε σχήμα αερόπλοιου με εξαιρετική ανάλυση ενέργειας ηλεκτρονίων και έξυπνες τεχνικές για τη μείωση ανεπιθύμητων σήματα υποβάθρου, τα οποία παράγονται από άσχετες διαδικασίες. Η KATRIN σχεδιάστηκε το 2001 και τέθηκε σε πλήρη λειτουργία το 2018, πραγματοποιώντας την πρώτη σειρά μετρήσεων το 2019. Σε μόλις τέσσερις εβδομάδες λήψης δεδομένων, απέκτησε ένα ανώτερο όριο μάζας 1.1 eV—μειώνοντας στο μισό το ανώτατο όριο που είχε καθοριστεί από προγενέστερες μετρήσεις.

Η KATRIN μείωσε περαιτέρω την τιμή στα 0.8 eV, χρησιμοποιώντας δεδομένα από τη δεύτερη σειρά μετρήσεων, οι οποίες είχαν ισχυρότερο σήμα, χαμηλότερα επίπεδα θορύβου και μεγαλύτερο διάστημα μέτρησης. Για να ενισχύσει το σήμα, η ερευνητική ομάδα αύξησε την ενεργότητα της πηγής τριτίου – δηλ. τον αριθμό των ατομικών πυρήνων που διασπώνται ανά δευτερόλεπτο. Για να μειώσει το υπόβαθρο, η ομάδα μείωσε τις ραδιενεργές προσμείξεις από άλλα υλικά βελτιώνοντας το κενό στο φασματόμετρο και αφαιρώντας τους ρύπους από τις επιφάνειες μέσω θερμικών επεξεργασιών. Εκτός από τα βήματα βελτίωσης της στατιστικής του σήματος, μείωσαν επίσης τις συστηματικές αβεβαιότητες που σχετίζονται με τα θεωρητικά μοντέλα, όπως αυτά που περιγράφουν το ηλεκτρικό δυναμικό της πηγής, το οποίο μπορεί να παραμορφώσει το μετρούμενο φάσμα ηλεκτρονίων-ενέργειας.

Η μείωση από 1.1 eV σε 0.8 eV μπορεί να ακούγεται μικρή. Αλλά αυτοί οι δύο αριθμοί από μόνοι τους δε δίνουν μια πλήρη εικόνα της προόδου της KATRIN. Το εντυπωσιακό κατόρθωμα είναι ότι η ομάδα KATRIN μείωσε τη στατιστική αβεβαιότητα κατά 3 φορές —κάτι που ισοδυναμεί με τη λήψη 9 φορές περισσότερων δεδομένων— και τη συστηματική αβεβαιότητα κατά 2 φορές. Η πρόοδος υποδηλώνει ότι η συνεργασία μπορεί ακόμα να βελτιώσει αυτό το πολύπλοκο πείραμα, το οποίο προοιωνίζεται για τον τελικό στόχο της KATRIN – την επίτευξη ευαισθησίας μάζας 0.2 eV έως το 2024, ώστε να αγγίξει τις τιμές που παράγουν οι έμμεσες μέθοδοι μέτρησης της μάζα των νετρίνων από κοσμολογικά παρατηρήσιμα στοιχεία όπως το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο. Αυτές οι μέθοδοι υποδεικνύουν ότι το νετρίνο έχει μάζα ελαφρώς μικρότερη από 0.2 eV, αλλά η τιμή που προτείνουν εξαρτάται από πολλές κοσμολογικές υποθέσεις. Η KATRIN δε βασίζεται σε υποθέσεις για το πώς λειτουργεί το Σύμπαν και έτσι η συνέχεια των μετρήσεων αναμένεται να είναι συναρπαστική.

Βιβλιογραφία

• Aker et al., New Constraint on the Local Relic Neutrino Background Overdensity with the First KATRIN Data Runs, doi: https://doi.org/10.48550/arXiv.2202.04587