Mô hình chuẩn của Vật lý hạt là một trong những kỳ công ấn tượng nhất của khoa học. Nó có một nỗ lực nghiêm ngặt, chính xác để hiểu và mô tả ba trong bốn lực cơ bản của Vũ trụ: lực điện từ, lực hạt nhân mạnh và lực hạt nhân yếu. Trọng lực không có vì cho đến nay, việc đưa nó vào Mô hình Chuẩn là vô cùng khó khăn.
Nhưng có một số lỗ hổng trong Mô hình Chuẩn và một trong số đó liên quan đến khối lượng neutrino.
Sự tồn tại của neutrino lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1930, sau đó được phát hiện vào năm 1956. Kể từ đó, các nhà vật lý đã biết có ba loại neutrino, và chúng rất phong phú và khó nắm bắt. Chỉ các cơ sở đặc biệt có thể phát hiện ra chúng vì chúng hiếm khi tương tác với các vấn đề khác. Có một số nguồn cho chúng, và một số trong số chúng đã bay vào vũ trụ kể từ Vụ nổ lớn, nhưng hầu hết các neutrino gần Trái đất đến từ Mặt trời.
Mô hình chuẩn dự đoán rằng neutrino không có khối lượng, như photon. Nhưng các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng ba loại neutrino có thể biến đổi thành một loại khác khi chúng di chuyển. Theo các nhà vật lý, họ chỉ có thể làm điều đó nếu họ có khối lượng.
Nhưng khối lượng bao nhiêu? Đó là một câu hỏi mà Lát đã làm các nhà vật lý hạt. Và trả lời câu hỏi đó là một phần của những gì thúc đẩy các nhà khoa học tại KATRIN (Thí nghiệm Karlsruhe Tritium Neutrino.)
Những phát hiện này do sự hợp tác của KATRIN làm giảm phạm vi khối lượng trước đó đối với neutrino theo hệ số hai
HAMISH ROBERTSON, KATRIN KHOA HỌC VÀ GIÁO SƯ GIÁO SƯ VẬT LÝ TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC WASHINGTON.
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã đưa ra một phần của câu trả lời rằng: khối lượng của neutrino có thể không lớn hơn 1,1 volt điện tử (eV.) Đây là sự giảm giới hạn trên của khối lượng neutrino ở gần 1 eV; từ 2 eV xuống còn 1,1 eV. Bằng cách xây dựng các thí nghiệm trước đó đặt giới hạn khối lượng thấp hơn ở mức 0,02 eV, các nhà nghiên cứu này đã thiết lập một phạm vi mới cho khối lượng neutrino. Nó cho thấy rằng một neutrino có khối lượng nhỏ hơn 1 / 500.000 của một electron. Đây là một bước quan trọng trong sự tiến bộ của Mô hình Chuẩn.
Biết khối lượng của neutrino sẽ cho phép các nhà khoa học trả lời các câu hỏi cơ bản trong vũ trụ học, vật lý thiên văn và vật lý hạt
Hamish Robertson, nhà khoa học KATRIN và giáo sư danh dự vật lý tại Đại học Washington.
Các nhà nghiên cứu đằng sau công việc này đến từ 20 tổ chức nghiên cứu khác nhau trên thế giới. Họ làm việc với KATRIN tại Viện Công nghệ Karlsruhe ở Đức. Cơ sở KATRIN có máy quang phổ độ phân giải cao 10 mét cho phép nó đo năng lượng điện tử với độ chính xác cao.
Nhóm KATRIN đã trình bày kết quả của họ tại Hội nghị chuyên đề Vật lý học và Vật lý ngầm năm 2019 tại Toyama, Nhật Bản, vào ngày 13 tháng 9.
Biết về khối lượng của neutrino sẽ cho phép các nhà khoa học trả lời các câu hỏi cơ bản về vũ trụ học, vật lý thiên văn và vật lý hạt, như cách vũ trụ phát triển hoặc vật lý tồn tại ngoài Mô hình chuẩn, ông Hamish Robertson, nhà khoa học và giáo sư vật lý của KATRIN nói. tại Đại học Washington. Những phát hiện này do sự hợp tác của KATRIN làm giảm phạm vi khối lượng trước đó đối với neutrino xuống hai lần, đặt ra các tiêu chí nghiêm ngặt hơn về khối lượng neutrino thực sự là gì, và đưa ra một con đường phía trước để đo lường giá trị của nó một cách dứt khoát.
Neutrino nổi tiếng là khó phát hiện, mặc dù chúng rất phong phú. Chỉ có photon là phong phú hơn. Giống như tên của họ nói, họ trung lập về điện. Điều này làm cho việc phát hiện chúng vô cùng khó khăn. Có những đài quan sát neutrino chìm sâu trong băng Nam Cực, và cũng sâu trong các mỏ bị bỏ hoang. Họ thường sử dụng nước nặng để lôi kéo neutrino tương tác. Khi một neutrino không tương tác, nó tạo ra bức xạ Cherenkov có thể đo được.
Robertson nói, nếu bạn lấp đầy hệ mặt trời bằng chì đến năm mươi lần so với quỹ đạo của Sao Diêm Vương, khoảng một nửa số neutrino phát ra từ mặt trời vẫn sẽ rời khỏi hệ mặt trời mà không tương tác với người dẫn đó, ông Robertson nói.
Lịch sử của neutrino đã phát triển theo thời gian với các thí nghiệm như KATRIN. Ban đầu, Mô hình chuẩn dự đoán neutrino sẽ không có khối lượng. Nhưng vào năm 2001, hai máy dò khác nhau cho thấy khối lượng của chúng là khác không. Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2015 đã được trao cho hai nhà khoa học cho thấy neutrino có thể dao động giữa các loại, cho thấy chúng có khối lượng.
Cơ sở KATRIN đo khối lượng neutrino một cách gián tiếp. Nó hoạt động bằng cách theo dõi sự phân rã của triti, một dạng hydro có tính phóng xạ cao. Khi đồng vị triti phân rã, nó phát ra các cặp hạt: electron và chất chống neutrino. Cùng nhau, họ chia sẻ 18.560 eV năng lượng.
Trong hầu hết các trường hợp, cặp hạt chia sẻ 18,560 eV như nhau. Nhưng trong những trường hợp hiếm hoi, electron hút hầu hết năng lượng, khiến neutrino chỉ còn rất ít. Những trường hợp hiếm hoi này là những gì các nhà khoa học đang tập trung vào.
Do E = mC2, lượng năng lượng nhỏ bé còn lại cho neutrino trong những trường hợp hiếm gặp này cũng phải bằng khối lượng của nó. Do KATRIN có khả năng đo điện tử một cách chính xác, nên nó cũng có thể xác định khối lượng neutrino.
Peter Doe, một giáo sư nghiên cứu vật lý từ Đại học Washington, người làm việc trên KATRIN, cho biết, việc giải quyết khối lượng neutrino sẽ đưa chúng ta vào một thế giới mới dũng cảm tạo ra một Mô hình Chuẩn mới.
Mô hình chuẩn mới này mà Doe đề cập có thể có khả năng giải thích cho vật chất tối, chiếm phần lớn vật chất trong Vũ trụ. Những nỗ lực như KATRIN một ngày nào đó có thể phát hiện ra một loại neutrino thứ tư khác gọi là neutrino vô trùng. Cho đến nay loại thứ tư này chỉ là phỏng đoán, nhưng nó là một ứng cử viên cho vật chất tối.
Do neutrino là những hạt nhỏ kỳ lạ, Doe nói. Họ có thể rất phổ biến, và có rất nhiều thứ chúng ta có thể học được khi xác định được giá trị này.
Cho thấy neutrino có khối lượng và hạn chế phạm vi của khối lượng đó, đều quan trọng. Nhưng các nhà vật lý hạt vẫn không cho biết cách họ đạt được khối lượng của chúng. Nó có lẽ khác với cách các hạt khác đạt được chúng.
Các kết quả như thế này từ KATRIN đang giúp đóng một lỗ hổng trong Mô hình Chuẩn và theo hiểu biết chung của chúng ta về Vũ trụ. Vũ trụ chứa đầy neutrino cổ đại từ Vụ nổ lớn, và mọi tiến bộ trong khối lượng neutrino giúp chúng ta hiểu cách thức Vũ trụ hình thành và phát triển.
Hơn:
- Thông cáo báo chí: KATRIN cắt giảm ước tính khối lượng cho neutrino khó nắm bắt một nửa
- Viện Công nghệ Karlsruhe: KATRIN
- Cern: Mô hình chuẩn
- Tạp chí đối xứng: Năm bí ẩn mô hình chuẩn có thể giải thích
- MIT News: 3Q: Các nhà khoa học đã ước tính khối lượng neutrino một nửa
