בשנות ה-30 של המאה ה-20 הופיע המושג של ניטרינו כדי להסביר אנרגיה ותנופה חסרים בהתפרקות בטא גרעינית, מה שהוביל לאישור הניסוי בסופו של דבר שלהם בשנת 1956. חלקיקי רפאים אלה, בקושי מקיימים אינטראקציה עם החומר, עוברים דרכנו ללא תשומת לב ממקורות קוסמיים כמו השמש. מחקר מתקדם הראה שניטרינו נעים בין סוגים ובעלי מסה, סותרים תיאוריות קודמות ומציעים פיזיקה שלא התגלתה. קרדיט: twoday.co.il.com
הגילוי והמחקר המתמשך על ניטרינו שינו באופן משמעותי את מושגי היסוד של פיזיקת החלקיקים, תוך הדגשת מסת החלקיקים ומאתגרת את דיוק מהדגם הסטנדרטי.
בשנות ה-30 של המאה ה-20 התברר שלא האנרגיה ולא איזון המומנטום נכונים בהתפרקות בטא הרדיואקטיבית של גרעין אטום. זה הוביל להנחה של "חלקיקי רפאים" ש"בחשאי" נושאים אנרגיה ומומנטום. ב-1956 הושגה לבסוף הוכחה ניסיונית של ניטרינו כאלה.
האתגר: ניטרינו מקיימים אינטראקציה עם חלקיקי חומר אחרים רק באמצעות האינטראקציה החלשה שעומדת גם בבסיס ההתפרקות בטא של גרעין אטום. מסיבה זו, מאות טריליונים של ניטרינו מהקוסמוס, במיוחד מהשמש, יכולים לעבור בגופנו בכל שנייה מבלי לגרום נזק. התנגשויות נייטרינו נדירות ביותר עם חלקיקי חומר אחרים ניתנות לזיהוי רק באמצעות גלאים ענקיים.
תנודות ניוטרינו והאתגר למודל הסטנדרטי
ניטרינו שמש הביאו עוד גילוי פורץ דרך: שלושת סוגי הנייטרינו הידועים עד היום יכולים להפוך זה לזה. עם זאת, ל"תנודות הניטרינו" הללו הייתה השלכה רצינית על תפיסת העולם של פיזיקת החלקיקים. בעבר, ההנחה הייתה שלנייטרינים אין מסת מנוחה, כמו פוטונים. זה יהיה תואם למודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, התיאור הטוב ביותר של עולם החלקיקים עד כה. עם זאת, התנודות אילצו מסת מנוחה עבור ניטרינו – אינדיקציה נוספת לכך שפיזיקה חדשה חייבת להתקיים מעבר למודל הסטנדרטי.
מדידת מסת ניוטרינו דרך Beta Decay
הכרת מסת המנוחה המדויקת של הנייטרינו תהיה אפוא שומשום פתוח לעולם הלא נודע של הפיזיקה החדשה. למרבה הצער, אתה לא יכול פשוט למקם נייטרינו על קנה מידה. זה דורש ניסויים מורכבים ביותר על תהליכים פיזיקליים נגישים מבחינה טכנית הכוללים ניטרינו.
"אחת הדרכים היא ריקבון בטא של טריטיום", מסביר כריסטוף שוויגר, דוקטורנט במחלקה של קלאוס בלאום במכון מקס פלנק לפיזיקה גרעינית.
כאן, אחד משני הנייטרונים במימן העל-כבד מתפרק לפרוטון ופולט אלקטרון וניטרינו, ובכך הופך את אָטוֹם לתוך הליום קל יותר. תהליך זה "נשקל" על ידי ניסוי KATRIN במכון הטכנולוגי של קרלסרוהה.
לכידת אלקטרונים ומדידות אנרגיה בחקר ניוטרינו
"הנתיב המשלים הוא לכידת האלקטרונים של האיזוטופ המלאכותי הולמיום-163", ממשיך שוויגר.
כאן, גרעין האטום לוכד אלקטרון ממעטפת האלקטרון הפנימית, ובכך פרוטון הופך לנייטרון, וכתוצאה מכך היסוד דיספרוזיום-163. זה גם משחרר נייטרינו, בין היתר.
שיתוף הפעולה הבינלאומי של ECHo, שבו מעורבים מדעני היידלברג, מנסה למדוד את תהליך ההתפרקות הזה בצורה אנרגטית בדיוק רב. לפי E = mc2 של איינשטיין, מסה ואנרגיה שוות ערך, ולכן ניתן להשוות את מדידת האנרגיה לשקילה של מסות.
כ"קלורימטר", ECHo מודד בצורה מדויקת ביותר את סך האנרגיה המשתחררת בדעיכה זו: זה מתאים למקסימום של ערך Q פחות מסת השארת של הנייטרינו המשתחרר. לשם כך, האיזוטופ הולמיום-163 משולב בשכבה של אטומי זהב.
איזון אטומי מדויק במיוחד: PENTATRAP מורכב מחמש מלכודות Penning המסודרות אחת מעל השנייה (מגדל צהוב באמצע). במלכודות הבנויות זהות, ניתן למדוד יונים במצב קוונטי מעורר ובמצב קרקע בהשוואה. על מנת למזער את אי הוודאות, היונים מועברים גם הלוך ושוב בין מלכודות שונות לצורך מדידות השוואתיות. קרדיט: MPIK
טכניקות מתקדמות במדידת מסה
"עם זאת, לאטומי הזהב הללו יכולה להיות השפעה על הולמיום-163", מסביר שוויגר. "לכן חשוב למדוד את הערך של Q בצורה מדויקת ככל האפשר באמצעות שיטה חלופית ולהשוות אותו עם הערך שנקבע קלומטרית כדי לזהות מקורות שיטתיים אפשריים של שגיאה."
כאן נכנסים לתמונה ניסוי החומשים של היידלברג ועבודת הדוקטורט של שוויגר. Pentatrap מורכב מחמש מה שנקרא Penning מלכודות. במלכודות אלו ניתן ללכוד אטומים טעונים חשמלית בשילוב של שדה חשמלי סטטי ומגנטי. יונים אלו מבצעות "ריקוד מעגל" מורכב, המאפשר לקבוע את המסה שלהם בדיוק רב.
"עם איירבוס A-380 עם עומס מרבי, אתה יכול להשתמש ברגישות הזו כדי לקבוע אם טיפת מים אחת נחתה עליו", אומר הפיזיקאי, וממחיש את היכולות של קנה המידה הזה.
השלכות של מדידות מסת ניוטרינו
באופן עקרוני, מלכודת פנינג עובדת כמו נדנדה. אם תניחו שני ילדים במשקל שונה זה ליד זה על שתי נדנדות מאותו סוג ותדחפו אותם באותה מידה, תוכלו להבחין בהדרגה בשינוי בתדרי התנופה. זה יכול לשמש כדי לחשב את ההבדל במשקל בין שני הילדים. במקרה של ניסוי הפנטטרפ, זהו ההבדל במסה בין יון הולמיום-163 ליון דיספרוזיום-163.
בנוסף, ככל ששני הילדים מתנדנדים מהר יותר, כך מתקבלת התוצאה מהר יותר, שהיא גם הרבה יותר מדויקת לאותו זמן תצפית מאשר להתנדנדות איטית. מסיבה זו, הצוות הסיר 38, 39 ו-40 אלקטרונים מהיונים ה"טעונים מאוד" בשלוש סדרות שונות של מדידות, מה שהפך את "ריקוד המעגל" שלהם למהיר משמעותית.
"אם הכל עובד, המדידה תיקח רק כמה שבועות", אומר שוויגר.
העתיד של מחקר המוני ניוטרינו
מההבדלים במסה כתוצאה מדידות תדרים שונות, באמצעות E = mc2 המדענים של היידלברג הצליחו סוף סוף לקבוע ערך Q ללכידת אלקטרונים שהיה מדויק פי 50 מבעבר.
"התרומה של שלוש קבוצות התיאוריה, כולל קבוצתו של כריסטוף קייטל כאן במכון, הייתה חשובה לא פחות מהמדידה שלנו", מדגיש שוויגר.
בנוסף להפרש התדרים בין שני היונים, למשתנה שני יש השפעה משמעותית על ערך ה-Q שנקבע: האנרגיה האצורה במערכת האלקטרונים הנותרת של יון טעון מאוד. מכיוון שיון כה גדול הוא מערכת רב-חלקיקים, החישוב היה מורכב בהתאם. התברר שהחישובים הביאו כמעט בדיוק לאותם ערכי Q עבור שלושת מצבי המטען הנמדדים עם 38, 39 ו-40 אלקטרונים שהוסרו. זה הבהיר שניתן לשלול אי ודאויות שיטתיות בניסוי ובתיאוריה, מדגיש שוויגר בהתלהבות. ומה זה אומר על המוני הניטרינו?
KATRIN קבעה את הגבול העליון המדויק ביותר עד כה של מסת הניטרינו על ידי "שקילה" ב-0.8 אלקטרונים וולט לכל מהירות אור בריבוע, מה שמתאים ל-0.0000000000000000000000000000000000000000014 קילוגרם בלתי נתפס!
סדר הגודל הזה של 10–36 מתאים בערך ליחס המשקל בין ארבעה צימוקים לשמש. וזה רק גבול עליון.
ניתוח התפלגות המסה המשוערת ביקום אפילו מגיע לגבול עליון נמוך משמעותית של מסות הניטרינו של 0.12 אלקטרונים וולט לכל מהירות אור בריבוע.
"עם זאת, הניתוח הזה מורכב מאוד ותלוי במודל הקוסמולוגי שבו נעשה שימוש", אומר שוויגר.
בכל מקרה, ברור שמי שרוצה לשקול ניטרינו עומד בפני אתגרים קיצוניים בקצה של מה שאפשרי מבחינה טכנית. על רקע זה, התוצאה של היידלברג היא צעד גדול קדימה בדרך לפתרון תעלומת המוני הנייטרינו.
