Một cỗ máy đếm điện tử lớn đã gián tiếp đưa ra phép đo hạt trơn nhất được biết đến trong vật lý - và thêm vào bằng chứng cho vật chất tối.
Phép đo đó là kết quả đầu tiên từ một nỗ lực quốc tế để đo khối lượng neutrino - các hạt lấp đầy vũ trụ của chúng ta và xác định cấu trúc của nó, nhưng chúng ta hầu như không thể phát hiện ra. Neutrino, theo thí nghiệm Karlsruhe Tritium Neutrino có trụ sở ở Đức (KATRIN), có khối lượng không quá 0,0002% của một electron. Con số đó thấp đến mức ngay cả khi chúng ta đếm được tất cả các neutrino trong vũ trụ, chúng không thể giải thích được khối lượng còn thiếu của nó. Và thực tế đó thêm vào đống bằng chứng cho sự tồn tại của vật chất tối.
KATRIN về cơ bản là một cỗ máy rất lớn để đếm các electron năng lượng siêu cao phát ra từ một mẫu triti - một dạng phóng xạ của hydro. với một proton và hai neutron trong mỗi nguyên tử. Tritium không ổn định và neutron của nó phân rã thành cặp electron-neutrino. KATRIN tìm kiếm các electron chứ không phải neutrino vì neutrino quá mờ để đo chính xác. Và cỗ máy sử dụng khí triti, theo Hamish Robertson, một nhà khoa học và giáo sư danh dự của KATRIN tại Đại học Washington, bởi vì đó là nguồn neutrino điện tử duy nhất đủ đơn giản để có được phép đo khối lượng tốt.
Neutrino ít nhiều không thể tự đo chính xác vì chúng có khối lượng rất nhỏ và có xu hướng bỏ qua các máy dò mà không tương tác với chúng. Vì vậy, để tìm ra khối lượng của neutrino, Robertson nói với Live Science, KATRIN đếm các electron năng lượng nhất và hoạt động ngược từ số đó để suy ra khối lượng của neutrino. Các kết quả đầu tiên từ KATRIN đã được công bố và các nhà nghiên cứu đã đi đến kết luận sớm: Neutrino có khối lượng không cao hơn 1,1 volt điện tử (eV).
Vôn điện tử là đơn vị khối lượng và vật lý năng lượng sử dụng khi nói về những thứ nhỏ nhất trong vũ trụ. (Ở quy mô của hạt cơ bản, năng lượng và khối lượng được đo bằng cùng một đơn vị và các cặp neutrino-electron phải có các mức năng lượng kết hợp tương đương với neutron nguồn của chúng.) Các boson Higgs, cho vay các hạt khác có khối lượng của chúng, có một khối lượng 125 tỷ EV. Proton, các hạt ở trung tâm của các nguyên tử, có khối lượng khoảng 938 triệu eV. Electron chỉ là 510.000 eV. Thí nghiệm này xác nhận rằng neutrino rất nhỏ.
KATRIN là một cỗ máy rất lớn, nhưng phương pháp của nó rất đơn giản, Robertson nói. Khoang đầu tiên của thiết bị chứa đầy triti khí, có neutron phân rã tự nhiên thành electron và neutrino. Các nhà vật lý đã biết có bao nhiêu năng lượng có liên quan khi một neutron phân rã. Một phần năng lượng được chuyển thành khối lượng của neutrino và khối lượng của electron. Và phần còn lại được đổ vào những hạt mới được tạo ra, rất gần như chỉ ra rằng chúng đi nhanh như thế nào. Thông thường, năng lượng tăng thêm đó được phân phối khá đều giữa electron và neutrino. Nhưng đôi khi hầu hết hoặc tất cả năng lượng còn lại bị đổ vào hạt này hay hạt khác.
Trong trường hợp đó, tất cả năng lượng còn lại sau khi neutrino và electron được hình thành được đổ vào đối tác điện tử, tạo thành một electron năng lượng siêu cao, Robertson nói. Điều đó có nghĩa là có thể tính được khối lượng của neutrino: Đó là năng lượng liên quan đến sự phân rã neutron trừ đi khối lượng của electron và mức năng lượng tối đa của các electron trong thí nghiệm.
Các nhà vật lý đã thiết kế thí nghiệm đã không thử đo neutrino; những người được phép thoát khỏi máy không bị ảnh hưởng. Thay vào đó, thí nghiệm đưa các electron vào buồng chân không khổng lồ, được gọi là máy quang phổ. Một dòng điện sau đó tạo ra một từ trường rất mạnh mà chỉ những electron có năng lượng cao nhất mới có thể đi qua. Ở đầu kia của buồng đó là một thiết bị đếm xem có bao nhiêu electron tạo ra nó qua trường. Khi KATRIN tăng dần cường độ từ trường, Robertson nói, số lượng điện tử truyền qua bị co lại - gần như là nó sẽ mờ dần về không. Nhưng vào cuối phổ của mức năng lượng điện tử, một cái gì đó xảy ra.
"Phổ chết đột ngột, trước khi bạn đạt đến điểm cuối, bởi vì khối lượng neutrino không thể bị đánh cắp bởi electron. Nó luôn phải bị bỏ lại phía sau cho neutrino", Robertson nói. Khối lượng của neutrino phải nhỏ hơn lượng năng lượng nhỏ bé bị thiếu từ cuối quang phổ. Và sau vài tuần chạy, các nhà thí nghiệm đã thu hẹp con số đó xuống còn khoảng một nửa số lượng mà các nhà vật lý trước đây biết đến.
Ý tưởng rằng neutrino có khối lượng hoàn toàn mang tính cách mạng; Mô hình chuẩn, lý thuyết vật lý chủ đạo mô tả thế giới hạ nguyên tử, từng khẳng định neutrino không có khối lượng nào cả, Robertson chỉ ra. Cho đến những năm 1980, các nhà nghiên cứu Nga và Mỹ đang cố gắng đo khối lượng neutrino, nhưng kết quả của họ có vấn đề và không chính xác. Tại một thời điểm, các nhà nghiên cứu Nga đã chốt khối lượng neutrino ở mức chính xác 30 eV - một con số đẹp có thể tiết lộ neutrino là liên kết bị mất có thể giải thích cấu trúc hấp dẫn lớn của vũ trụ, lấp đầy tất cả khối lượng còn thiếu - nhưng một Điều đó hóa ra là sai.
Robertson và các đồng nghiệp của ông lần đầu tiên bắt đầu làm việc với triti khí sau đó, sau khi họ nhận ra rằng chất phóng xạ mờ nhạt cung cấp nguồn phân rã neutron chính xác nhất có sẵn cho khoa học.
"Đây là một tìm kiếm lâu dài," Robertson nói. "Số đo 30 eV của Nga rất thú vị bởi vì nó sẽ đóng cửa vũ trụ một cách hấp dẫn. Và nó vẫn thú vị vì lý do đó. Neutrino đóng một vai trò lớn trong vũ trụ học và có lẽ chúng đã định hình cấu trúc quy mô lớn của vũ trụ."
Tất cả những hạt mờ đó bay xung quanh kéo theo mọi thứ khác bằng lực hấp dẫn của chúng, và lấy và cho mượn năng lượng từ tất cả các vật chất khác. Mặc dù số lượng lớn bị giảm xuống, Robertson nói, vai trò chính xác của những hạt nhỏ này trở nên phức tạp hơn.
Số 1,1 eV, nhà nghiên cứu cho biết, rất thú vị bởi vì đây là số khối neutrino có nguồn gốc thực nghiệm đầu tiên không đủ cao để tự mình giải thích cấu trúc của phần còn lại của vũ trụ.
"Có một vấn đề chưa phải là bất cứ điều gì chúng ta biết. Có vấn đề đen tối này, đó là vấn đề tối tăm và không thể được tạo ra từ các neutrino mà chúng ta biết, ông nói.
Vì vậy, con số nhỏ này từ một buồng chân không lớn ở Đức ít nhất cũng bổ sung vào đống bằng chứng cho thấy vũ trụ có các yếu tố mà vật lý vẫn không hiểu.
