Proje 8, nötrino kütlesini ölçme arayışında önemli bir dönüm noktasına işaret ediyor.
Normal maddeden zahmetsizce geçen, yakalanması zor bir atom altı parçacık olan mütevazı nötrino, evrenimizi oluşturan parçacıklar arasında çok büyük bir rol oynuyor. Evrenimizin nasıl oluştuğunu tam olarak açıklayabilmek için kütlesini bilmemiz gerekiyor. Ancak birçoğumuz gibi, tartılmaktan kaçınıyor.
Artık, Proje 8 adı verilen iddialı bir arayışa öncülük eden ABD ve Almanya’dan uluslararası bir araştırmacı ekibi, kendilerine özgü stratejilerinin olduğunu bildiriyor nötrino kütlesini ölçen ilk kişi olmak için gerçekçi bir yarışmacıdır. Proje 8, ölçeği tamamen büyütüldüğünde, nötrinoların bildiğimiz haliyle evrenin erken evrimini nasıl etkilediğini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir.
2022’de, KATRIN araştırma ekibi ne kadar ağır olduğuna ilişkin bir üst sınır belirledi. nötrino muhtemelen olabilir. Bu dönüm noktası, yapımı onlarca yıl süren, güç gösterisi niteliğinde bir başarıydı. Ancak bu sonuçlar arama penceresini daraltır. KATRIN yakında hedeflenen tespit sınırlarına ulaşacak ve hatta bir gün bu limitleri aşabilir, ancak tüy kadar hafif olan nötrino daha da hafif olabilir ve şu soruyu sorabilir: “Sırada ne var?”
Hayalet Bir Parçacığın İzini Sürmek
Proje 8 ekibi, en son çalışmalarında, Physical Review Letters dergisinde şu bilgileri kullanabileceklerini bildirdi: Beta bozunması adı verilen doğal bir olayı güvenilir bir şekilde izlemek ve kaydetmek için yepyeni bir teknik. Hidrojenin nadir bir radyoaktif çeşidi (trityum adı verilen) üç atom altı parçacığa bozunduğunda her olay çok küçük miktarda enerji yayar: helyum iyonu, elektron ve nötrino.
Proje 8’in nihai başarısı, şunlara bağlıdır: iddialı bir plan üzerinde. Araştırma ekibi, çoğu dedektör teknolojisinden zahmetsizce geçen nötrinoyu tespit etmeye çalışmak yerine, aşağıdaki gibi özetlenebilecek basit bir ölçüm stratejisi izlemiştir:
Bir trityum atomunun toplam kütlesinin şuna eşit olduğunu biliyoruz: Einstein sayesinde parçalarının enerjisi. Beta bozunması sonucu oluşan serbest bir elektronu ölçtüğümüzde ve toplam kütleyi bildiğimizde, “eksik” enerji nötrino kütlesi ve hareketidir.
“Prensip olarak, teknolojideki gelişmeler ve ölçeğin artmasıyla birlikte, Enerji Bakanlığı’nın Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı’ndaki Proje 8’in baş araştırmacılarından biri olan Brent VanDevender, nötrino kütlesini saptamak için gerekli aralığa ulaşma konusunda gerçekçi bir adım olduğunu söyledi.
Neden Proje 8?{16 }
Bu araştırmacılar iddialı bir strateji izlemeyi seçtiler çünkü artılarını ve eksilerini incelediler ve bunun işe yarayabileceği sonucuna vardılar.
Talia Weiss, Yale Üniversitesi’nde nükleer fizik yüksek lisans öğrencisidir. Kendisi ve Proje 8’deki meslektaşları, elektron sinyallerini elektronik arka plan gürültüsünden nasıl doğru bir şekilde ayırabileceklerini bulmak için yıllarını harcadılar. Christine Claessens, Washington Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırma görevlisidir ve doktora derecesini almıştır. Almanya Mainz Üniversitesi’ndeki Proje 8’de. Weiss ve Claessens, yeni teknikten elde edilen nötrino kütlesine sınırlar koyan iki son analizi ilk kez gerçekleştirdiler.
“Nötrino inanılmaz derecede hafif, dedi Weiss. “Bir elektrondan 500.000 kat daha hafiftir. Yani nötrinolar ve elektronlar aynı anda yaratıldığında, nötrino kütlesinin elektronun hareketi üzerinde çok küçük bir etkisi olur. Bu küçük etkiyi görmek istiyoruz. Bu nedenle, elektronların etrafta ne kadar hızlı dolaştığını ölçmek için son derece hassas bir yönteme ihtiyacımız var.”
Proje 8, tam da böyle bir tekniğe dayanıyor; on yıldan fazla bir süre önce fizikçiler Joe Formaggio ve Ben Monreal tarafından tasarlanan ve o zamanlar üzerinde çalışan bir teknik. Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nde.Ortaya çıkan yönteme Siklotron Radyasyon Emisyon Spektroskopisi (CRES) adı verilir. Yeni doğmuş elektronların manyetik alan içinde dönerken yaydığı mikrodalga radyasyonunu yakalıyor. Bu elektronlar, beta bozunması olayı sırasında açığa çıkan enerjinin tamamını olmasa da çoğunu taşır. Nötrino kütlesini ortaya çıkarabilecek şey bu kayıp enerjidir. Bu, trityum beta bozunmalarının ölçüldüğü ve nötrino kütlesine CRES tekniğiyle bir üst sınır konulduğu ilk seferdir.
Bilim insanları bir nötrinoyu nasıl tartabilir? Katkı Sağlayan: Pasifik Kuzeybatı Ulusal Laboratuvarı için Sara Levine tarafından hazırlanan animasyon
Yenilikçi Yaklaşımlar ve Zorluklar
Ekip yalnızca bu elektronları izlemekle ilgileniyor çünkü onların enerjisi, nötrino kütlesini ortaya çıkarmada anahtar rol oynuyor. Bu strateji daha önce kullanılmış olsa da, CRES dedektörü, mevcut herhangi bir teknolojinin ötesine geçme potansiyeline sahip bu önemli elektron enerjisini ölçer. Project 8’i diğerlerinden ayıran şey de bu ölçeklenebilirliktir. Elise Novitski, Washington Üniversitesi’nde yardımcı doçenttir ve yeni yayınlanan çalışmanın birçok yönünü yönetmiştir.
Novitski, “Bunu başka kimse yapmıyor” dedi. “Mevcut bir tekniği alıp onu biraz değiştirmeye çalışmıyoruz. Bir nevi Vahşi Batı’dayız.”
Ekip, Seattle’daki Washington Üniversitesi’nde gerçekleştirilen en son deneyinde 3.770 trityum betayı takip etti Tek bir bezelye büyüklüğündeki bir örnek hücrede 82 günlük bir deneme penceresi boyunca bozunma olayları. Örnek hücre kriyojenik olarak soğutulur ve ortaya çıkan elektronları, sistemin kayıt antenlerinin bir mikrodalga sinyali kaydetmesine yetecek kadar uzun süre hapseden bir manyetik alana yerleştirilir.
Ekip, sıfır yanlış sinyal veya arka plan olayı kaydetti. gerçek şey konusunda kafam karıştı. Bu önemlidir, çünkü çok küçük bir arka plan bile nötrino kütlesinin sinyalini gizleyebilir ve yararlı sinyalin yorumlanmasını zorlaştırabilir.
Cıvıltılardan Sinyallere
PNNL deneyi tarafından yönetilen Proje 8 araştırmacılarından oluşan bir alt grup fizikçi Noah Oblath, aynı zamanda birden fazla kurumdaki bir düzine diğer kişinin de katılımıyla, ham verileri alıp bunları analiz edilebilecek sinyallere dönüştürmek için her biri hoş bir şekilde çeşitli böceklerin adlarıyla[1] adlandırılan özel bir yazılım paketi geliştirdi. Proje mühendisleri de Project 8’i bir araya getiren çeşitli parçaları icat etmek için tamirci şapkalarını taktılar.
“Bu çaba için hayati öneme sahip mühendislerimiz var. “dedi Novitski. “Bir mühendisin bakış açısından bu bir nevi orada. Deneysel fizik, bir nevi fizik ve mühendisliğin sınırındadır. Özellikle maceraperest mühendisler ve pratik fikirli fizikçilerin işbirliği yapması, bunları hayata geçirmesi gerekiyor çünkü bu tür şeyler ders kitaplarında yok.”
Bitiş Çizgisine Ulaşmak
Şimdi o Ekip, tasarımlarının ve deneysel sistemlerinin trityum moleküllerini kullanarak çalıştığını gösterdi; önlerinde acil bir görev daha var. Ekibin tamamının bir alt kümesi şu anda bir sonraki adım üzerinde çalışıyor: Bireysel trityum atomlarını üretecek, soğutacak ve hapsedecek bir sistem. Bu adım zordur çünkü trityum, daha bol bulunan kuzeni hidrojen gibi moleküller oluşturmayı tercih eder. Bu moleküller Proje 8 ekibinin nihai hedeflerini ulaşılamaz hale getirecekti. Mainz Üniversitesi’ndeki fizikçilerin önderlik ettiği araştırmacılar, karmaşık mıknatıs dizileriyle atomik trityumun oluşturulup yakalanması için bir test ortamı geliştiriyorlar; bu, onun örnek hücrenin duvarlarına bile dokunmasını önleyecek – burada moleküler hale dönmesi neredeyse kesin.
Bu teknoloji ilerlemesi ve tüm cihazın ölçeğinin büyütülmesi, KATRIN ekibinin ulaştığı hassasiyete ulaşma ve sonuçta bu hassasiyeti aşma yolunda kritik adımlar olacaktır.
Şimdilik, araştırma ekibi, On araştırma kurumundan katkıda bulunan üyeleri bulunan kuruluş, deneyi bezelye büyüklüğündeki numune odasından bin kat daha büyük bir numune odasına büyütmek için tasarımların test edilmesi üzerinde çalışıyor.“Daha önce hiç yapılmamıştı. Deneylerin çoğunun, en azından kullandıkları tespit tekniğinin 50 veya 100 yıllık bir geçmişi var, oysa bu gerçekten yepyeni.”
Notlar
{5 }Proje 8 üzerinde çalışan araştırmacılar tarafından özel olarak geliştirilen yazılım paketi Morpho, Locust, Katydid, Psyllid ve Dragonfly’ı içermektedir.
Referans: “Tritium Beta Spektrum Ölçümü ve Cyclotron Radyasyon Emisyon Spektroskopisinden Nötrino Kütle Limiti”, A. Ashtari Esfahani ve ark. (Project 8 Collaboration), 6 Eylül 2023, Fiziksel İnceleme Mektupları.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.102502
Her Project 8 ekibi araştırmacısı, grup çalışmasına tamamlayıcı beceriler katar. İşbirlikçilerin tam listesini Proje 8 web sitesinde bulabilirsiniz.
Proje 8, ABD Enerji Bakanlığı Bilim Dairesi, Nükleer Fizik Dairesi, Ulusal Bilim Vakfı, Alman Araştırma Vakfı PRISMA+ Mükemmeliyet Kümesi ve tüm işbirliği yapan kurumların iç yatırımları.
.