Naukowcy ustalili na nowo hipotetyczną masę neutrin

W świecie cząstek elementarnych neutrina zajmują szczególne miejsce - są niezwykle liczne, a jednocześnie tak nieuchwytne, że przez dziesięciolecia uważano je za pozbawione masy. Najnowsze wyniki eksperymentu KATRIN wnoszą jednak przełomowe informacje do naszego rozumienia tych tajemniczych cząstek. Międzynarodowy zespół fizyków, w tym naukowcy z Rosji i Niemiec, opublikował w prestiżowym czasopiśmie Science wyniki badań, które znacząco zawężają górną granicę możliwej masy neutrin do zaledwie 0,45 elektronowoltów.

Eksperyment KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) jest jednym z najbardziej zaawansowanych projektów badawczych na świecie, zaprojektowanym specjalnie do pomiaru masy neutrin. W swojej istocie jest to niezwykle czuły detektor wykorzystujący rozpad beta trytu - ciężkiego izotopu wodoru - do badania właściwości neutrin. Gdy jądro trytu ulega rozpadowi, przekształca się w hel-3, emitując przy tym elektron i antyneutrino elektronowe. Naukowcy mierzą energię tego rozpadu z niespotykaną dotąd precyzją, co pozwala im wnioskować o masie nieuchwytnych neutrin.

Najnowsze wyniki opierają się na imponującej ilości danych zebranych przez 259 dni obserwacji. W tym czasie naukowcy zarejestrowali i przeanalizowali właściwości ponad 36 milionów neutrin elektronowych. Ta ogromna próba badawcza, sześciokrotnie większa niż w poprzedniej sesji pomiarowej, pozwoliła zespołowi znacząco zredukować błędy pomiarowe i zawęzić rozrzut możliwych mas neutrin. Co najbardziej imponujące, udało im się zmniejszyć szerokość "korytarza wartości" niemal o połowę w porównaniu do poprzednich pomiarów.

W 2021 roku eksperyment KATRIN wykazał, że górna granica masy neutrin wynosi około 0,8 elektronowoltów. Obecne wyniki obniżają tę granicę do około 0,45 elektronowoltów, co jest wartością bardzo zbliżoną do 0,2 elektronowolta - minimalnej masy, jaką można teoretycznie zmierzyć za pomocą tego urządzenia. Zbliżanie się do tego limitu jest niezwykle ekscytujące dla fizyków, ponieważ sugeruje, że wkrótce możemy być w stanie dokonać pierwszego bezpośredniego pomiaru rzeczywistej masy neutrin, zamiast jedynie wyznaczania jej górnej granicy.

Zespół naukowy eksperymentu KATRIN, kierowany przez Christopha Wiesingera z Instytutu Fizyki Jądrowej im. Maxa Plancka w Niemczech, nie ustaje w wysiłkach. Fizycy planują w 2025 roku skompletować zestaw danych, który - jak mają nadzieję - pozwoli osiągnąć precyzję niezbędną do przekroczenia granicy 0,2 elektronowolta i uzyskania pierwszych dokładnych danych na temat rzeczywistej masy tych enigmatycznych cząstek.

Dlaczego te badania są tak istotne? Aby to zrozumieć, musimy cofnąć się do połowy XX wieku, kiedy fizycy odkryli, że istnieją trzy "typy" neutrin: neutrina i antyneutrina taonowe, elektronowe i mionowe. Niedługo później naukowcy zaobserwowali fascynujące zjawisko - neutrina różnych typów mogą okresowo przekształcać się w siebie nawzajem. Ten proces, znany jako "oscylacje neutrin", był pierwszym dowodem na to, że neutrina muszą mieć masę różną od zera.

To odkrycie było rewolucyjne, ponieważ stało w sprzeczności z przewidywaniami Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych, według którego neutrina powinny być bezmasowe. Fakt, że neutrina posiadają masę, nawet jeśli jest ona niezwykle mała, wskazuje na istnienie fizyki wykraczającej poza nasz obecny model teoretyczny. Jest to jedno z niewielu potwierdzonych eksperymentalnie odstępstw od Modelu Standardowego, co czyni badania nad neutrinami jednym z najbardziej ekscytujących obszarów współczesnej fizyki.

Neutrina są nie tylko najlżejszymi znanymi cząstkami posiadającymi masę, ale również jednymi z najliczniejszych we wszechświecie. W każdej sekundzie przez każdy centymetr kwadratowy naszego ciała przelatują biliony neutrin pochodzących ze Słońca, bez jakiegokolwiek zauważalnego efektu. Oddziałują one z otaczającą materią wyłącznie za pośrednictwem grawitacji i tak zwanych oddziaływań słabych, co czyni je niezwykle trudnymi do wykrycia i badania.

Eksperyment KATRIN, ze swoją niespotykaną precyzją i skalą, reprezentuje szczyt ludzkich wysiłków w próbie zrozumienia tych nieuchwytnych cząstek. Dokładne określenie masy neutrin może mieć daleko idące konsekwencje dla naszego rozumienia nie tylko fizyki cząstek elementarnych, ale również kosmologii i ewolucji wszechświata. Neutrina odegrały kluczową rolę w formowaniu się struktur we wczesnym wszechświecie, a ich właściwości mogą pomóc wyjaśnić zagadki takie jak asymetria między materią a antymaterią.

Przyszłość badań nad neutrinami wygląda obiecująco. Z każdym rokiem naukowcy doskonalą metody detekcji i analizy, przybliżając nas do rozwiązania jednej z największych zagadek współczesnej fizyki. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, rok 2025 może przynieść przełomowe odkrycie - pierwszy bezpośredni pomiar masy neutrin, co byłoby jednym z najważniejszych wydarzeń w historii fizyki cząstek elementarnych.