Annäherung an das schwer fassbare Neutrino
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17. Oktober 2023
Die hier gezeigte Zyklotronstrahlungsemissionsspektroskopie (CRES) ist der Schlüssel zu einer völlig neuen Methode zur Bestimmung der Masse des schwer fassbaren Neutrinos.Projekt 8
Das bescheidene Neutrino, ein schwer fassbares subatomares Teilchen, das gewöhnliche Materie leicht durchdringt, spielt eine große Rolle unter den Teilchen, aus denen unser Universum besteht. Um vollständig zu erklären, wie das Universum entstanden ist, müssen Wissenschaftler seine Masse kennen.
Aber wie sich herausstellt, vermeidet das Neutrino sein eigenes Gewicht.
In Papier Ein internationales Forscherteam aus den Vereinigten Staaten, Deutschland und Frankreich berichtete am 6. September in der Zeitschrift Physical Review Letters, dass die einzigartige Strategie, die sie verwendeten, als erste Möglichkeit zur Messung der Neutrinomasse wirklich vielversprechend ist. Sobald ihre Zusammenarbeit vollständig ausgebaut ist – Projekt 8 – Es könnte auch zeigen, wie Neutrinos die frühe Entwicklung des Universums, wie wir es kennen, beeinflusst haben.
„Projekt 8 ist ein völlig neuer Ansatz zur Lösung dieses herausragenden Grundproblems der Physik – der Neutrinomasse – und wir glauben wirklich, dass es auf dem Weg ist, diese Frage und noch viel mehr zu beantworten“, sagte Co-Autor und Projektleiter. 8 Welt Elise NowitzkiAssistenzprofessor für Physik an der University of Washington.
Im Jahr 2022 Katharina, eine separate Zusammenarbeit mit Sitz in Deutschland, legte eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse fest – ein jahrzehntelanges Unterfangen, an dessen Leitung UW-Forscher beteiligt waren. Aber es wird erwartet, dass Catherine irgendwann die Grenze erreicht, bei der sie den Massenbereich des Neutrinos eingrenzen kann, was Wissenschaftler auf der ganzen Welt fragen lässt: „Was kommt als nächstes?“
Wissenschaftler von Projekt 8 glauben, dass ihr Ansatz die Antwort sein könnte. Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein besonderes Phänomen namens Beta-Zerfall. Viele radioaktive Varianten der Elemente durchlaufen diesen Prozess. Projekt 8 basiert auf der Nutzung des Betazerfalls von Tritium – einer seltenen, radioaktiven Form von Wasserstoff – zur Berechnung der Masse des Neutrinos.
Beim Betazerfall von Tritium entstehen ein Heliumion, ein Elektron und ein Neutrino. Anstatt zu versuchen, das Neutrino nachzuweisen, das die meisten Detektortechnologien passiert, konzentrierte sich das Forschungsteam stattdessen auf die Messung des beim Betazerfall erzeugten freien Elektrons. Diese Elektronen tragen den größten Teil, aber nicht die gesamte Energie, die beim Betazerfall freigesetzt wird. Diese „fehlende“ Energie besteht aus der Masse und Bewegung des Neutrinos.
„Das Neutrino ist unglaublich leicht“, sagte Co-Autorin Talia Weiss, Projekt-8-Wissenschaftlerin und Doktorandin an der Yale University. „Es ist mehr als 500.000 Mal leichter als ein Elektron. Wenn also Neutrinos und Elektronen gleichzeitig erzeugt werden, hat die Masse des Neutrinos nur einen winzigen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Wir wollen diesen kleinen Effekt sehen. Also, wir.“ brauchen eine ultrapräzise Methode, um zu messen, wie schnell sich Elektronen bewegen.“
In ihrer neuesten Forschung haben Wissenschaftler von Projekt 8 gezeigt, dass sie eine neue Technik – die Zyklotronstrahlungsemissionsspektroskopie (CRES) – verwenden können, um den Betazerfall zuverlässig zu verfolgen und aufzuzeichnen. Ihren Ergebnissen zufolge können mit CRES die Eigenschaften eines Neutrinos, einschließlich seiner Masse, berechnet werden.
„Grundsätzlich haben wir mit der Weiterentwicklung und Skalierung der Technologie eine realistische Chance, den Maßstab zu erreichen, der zur Bestimmung der Neutrinomasse erforderlich ist“, sagte Co-Autor Brent Vandevender, ein Projekt-8-Wissenschaftler an der UCLA. Pacific Northwest National Laboratoryeine Einrichtung des US-Energieministeriums.
Die Physiker Joe Formaggio und Ben Monreal erstellten vor mehr als einem Jahrzehnt am MIT die erste Visualisierung von CRES. Ein internationales Team kam um die Idee herum zusammen und gründete Project 8, um seine Vision in ein praktisches Werkzeug umzusetzen. CRES fängt Mikrowellenstrahlung ein, die von neugeborenen Elektronen emittiert wird, wenn sie sich in einem Magnetfeld drehen.
Die Projektwissenschaftler verbrachten acht Jahre damit, herauszufinden, wie man Elektronensignale präzise aus dem Hintergrundrauschen extrahieren kann. Weiss und Christine Claesens, eine Postdoktorandin der UW, die als Doktorandin an der Universität Mainz in Deutschland an Projekt 8 arbeitete, führten die abschließenden Analysen durch, die anhand der CRES-Daten Grenzen für die Neutrinomasse festlegten. Dies ist das erste Mal, dass der Beta-Zerfall von Tritium, der eine Obergrenze für die Neutrinomasse festlegt, mit der CRES-Technik gemessen wurde.
Der CRES-Detektor, der an der University of Wisconsin gebaut und untergebracht ist, misst entscheidende Elektronenenergie und hat das Potenzial, weit über jede bestehende Technologie hinaus zu skalieren. Skalierbarkeit ist das, was Project 8 auszeichnet, sagte Novitzky.
„Niemand macht das“, sagte Nowitzki. „Wir nehmen keine bestehende Technologie und versuchen, sie ein wenig zu optimieren. Wir sind sozusagen im Wilden Westen.“
In ihrem neuesten Experiment verfolgte das Team 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignisse über einen Versuchszeitraum von 82 Tagen in einer erbsengroßen Zellprobe. Die Probenzelle wird kryogen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen lange genug einfängt, damit die Aufzeichnungsantennen des Systems das Mikrowellensignal aufzeichnen können.
Eine Untergruppe von Forschern in Projekt 8 entwickelte außerdem eine Reihe spezieller Software – jeweils benannt nach Insekten wie Katydid und Libelle –, um Rohdaten in Signale umzuwandeln, die analysiert werden können. Die Projektingenieure mussten die Geräte und Detektoren entwerfen und bauen, die Projekt 8 vervollständigen würden.
„Wir haben Ingenieure, die bei diesem Vorhaben eine entscheidende Rolle spielen“, sagte Novitzky. „Aus der Sicht eines Ingenieurs ist es irgendwie seltsam. Experimentelle Physik liegt an der Grenze zwischen Physik und Ingenieurwesen. Man muss abenteuerlustige Ingenieure und praktisch denkende Physiker zur Zusammenarbeit bewegen, vor allem, um diese Dinge entstehen zu lassen, weil diese Dinge.“ steht nicht in den Lehrbüchern.“
Nachdem das Team nun gezeigt hat, dass sein experimentelles System mit Tritiumpartikeln funktioniert, arbeiten sie an Entwürfen, um das Experiment von einer erbsengroßen Probenkammer auf eine 1.000-mal größere Kammer zu skalieren, um mehr Beta-Zerfallsereignisse zu erfassen. Sie entwickeln außerdem einen Experimentiersatz, um einzelne Tritiumatome zu erzeugen, zu kühlen und einzufangen – keine leichte Aufgabe, da Tritium, wie sein häufiger vorkommender Cousin Wasserstoff, es vorzieht, sich mit anderen Atomen zu verbinden und Moleküle zu bilden.
Das Erreichen dieser Ziele und die Vergrößerung des gesamten Geräts werden die entscheidenden Schritte sein, um die durch Catherines Experiment erreichte Empfindlichkeit zu erreichen und schließlich zu übertreffen.
„Das wird eine jahrelange Anstrengung sein. Aber wir glauben, dass die kleine Antwort uns endlich diese kleine Antwort – die Masse dieses kleinen Neutrinos – mit enormen Auswirkungen liefern wird“, sagte Co-Autor und Projekt-8-Wissenschaftler. Grauer RepkaProfessor für Physik an der University of Wisconsin.
Weitere Co-Autoren der UW sind aktuelle und ehemalige Doktoranden Ali Ashtari Esfahani, Jeremy Hartsey und Iris Machado; Peter Doe, emeritierter Forschungsprofessor für Physik; Und Hamish Robertson, emeritierter Professor für Physik. Projekt 8 wird vom US-Energieministerium, der National Science Foundation, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und internen Investitionen kooperierender Institutionen finanziert.
Für weitere Informationen kontaktieren Sie Novitski unter [email protected].
Nach A Geschichte Vom Pacific Northwest National Laboratory.
Schlagworte: Hochschule für Künste und Wissenschaften • Fachbereich Physik • Elise Nowitzki • Gray Ripka • Physik
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