Naukowcy pracujący nad tym zagadnieniem w eksperymencie Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) ustanowili właśnie nowy punkt odniesienia w fizyce cząstek, określając jak dotąd najdokładniejszą górną granicę masy neutrin. Według autorów najnowszego odkrycia masa neutrino może wynosić maksymalnie 0,45 elektronowoltów (eV). W ten sposób o duży krok przybliżyliśmy się do rozwiązania jednej z najbardziej uporczywych zagadek fizyki.
Neutrina należą do najbardziej nieuchwytnych cząstek we wszechświecie. Od końca XX wieku dowody eksperymentalne podważają wcześniej utrzymywane założenie o ich bezmasowości.
Czytaj także: Przełomowy efekt poszukiwań cząstki widmo. To neutrino bije dotychczasowy rekord aż 100-krotnie
Już w 1998 roku, niemal trzydzieści lat temu, naukowcy odkryli, że neutrina mogą oscylować między trzema różnymi typami. Problem w tym, że taka zmiana może zachodzić tylko wtedy, gdy cząstki posiadają jakąś niezerową masę. Można zatem powiedzieć, że to odkrycie uruchomiło istną falę badań, których celem było ustalenie masy tych cząstek.
Po niemal trzech dekadach wciąż do ustalenia masy neutrina jest daleko, ale kolejne eksperymenty bezustannie zbliżają nas do prawdy coraz bardziej ograniczając zakres masy tych ulotnych cząstek.
Warto tutaj podkreślić, że neutrina są jedynymi cząstkami elementarnymi, których masy nadal nie znamy. Chęć zatem na domknięcie naszej wiedzy jest ogromna. Teraz eksperyment KATRIN wspomniany wyżej przybliża nas do tego momentu.
Naukowcy pracujący nad tym zagadnieniem w eksperymencie KATRIN w Niemczech skupiają się w swoich badaniu na procesie rozpadu trytu, rzadkiego izotopu wodoru. Badacze wskazują bowiem, że podczas rozpadu trytu, neutron przekształca się w proton, emitując przy tym elektron i antyneutrino elektronowe. Co nam to daje? Otóż całkowita energia z tego procesu jest dzielona na te dwie cząstki. Jeżeli zatem antyneutrino nie miałoby masy, elektron otrzymałby całą energię. Jeżeli jednak antyneutrino ma jakąś masę, to część energii zatrzyma dla siebie. Wystarczy zatem precyzyjnie zmierzyć energię elektronu, aby ustalić choćby niewielkie odchylenia. Takie odchylenie potwierdzałoby istnienie masy neutrina.
Oczywiście, całe zadanie brzmi zaskakująco prosto, ale takie nie jest. Przez ponad 250 dni pomiarów, naukowcy analizowali energię 36 milionów elektronów. Uzyskany w ten sposób korpus danych pozwolił fizykom określić górną granicę masy elektronu na 0,45 eV. Oznacza to, że neutrino ma masę co najmniej milion razy niższą od elektronu. Jest to jak dotąd najdokładniejszy szacunek opierający się na badaniach eksperymentalnych.
Czytaj także: Stephen Hawking miał rację? To jedno neutrino może stanowić potwierdzenie
Warto tutaj podkreślić, że precyzja pomiarów stale rośnie. Wcześniej ustalona górna granica opierała się na sześciokrotnie mniejszym zestawie danych obserwacyjnych. Z drugiej strony, w przyszłości możemy się spodziewać jeszcze dokładniejszych ograniczeń. Naukowcy planują bowiem do końca roku zakończyć 1000 dni pomiarów, a więc korpus danych do analizy wzrośnie czterokrotnie. To zapewne pozwoli na dalsze zbliżenie się do właściwej masy neutrina.
Każde odkrycie jednak daje nam nie tylko nową wiedzę, ale przede wszystkim pozwala nam stawiać nowe pytania. Gdyby udało się potwierdzić, że neutrino faktycznie posiada masę, naukowcy będą starali się ustalić, czy tak jak inne cząstki masa ta pozyskiwana jest przez bozony Higgsa, czy w jakiś zupełnie inny nieznany jeszcze sposób. Odpowiedź na to pytanie, może natomiast sprowokować dalsze pytania, których dzisiaj nie jesteśmy w stanie nawet wymyślić.