جرم نوترینو با دقتی بی‌سابقه کمتر از ۰/۴۵ الکترون‌ولت اندازه‌گیری شد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، دانشمندان آزمایش KATRIN موفق شدند دقیق‌ترین حد بالای ثبت‌شده برای جرم یکی از اسرارآمیزترین ذرات جهان، یعنی نوترینو را به‌دست آورند؛ جرمی کمتر از ۰/۴۵ الکترون‌ولت. این دستاورد نقطه عطفی در فیزیک ذرات بنیادی محسوب می‌شود و می‌تواند چشم‌انداز جدیدی فراتر از مدل استاندارد فیزیک ارائه دهد.

پیشرفت قابل‌توجه در اندازه‌گیری جرم نوترینو

تیم تحقیقاتی پروژه KATRIN (مخفف Karlsruhe Tritium Neutrino) مستقر در مؤسسه فناوری کارلسروهه آلمان، موفق شده‌اند دقیق‌ترین حد بالای آزمایشگاهی برای جرم نوترینو را اندازه‌گیری کنند: کمتر از ۰/۴۵ الکترون‌ولت (eV)، که این مقدار حتی کمتر از یک‌میلیونیم جرم یک الکترون است. این دستاورد گام بزرگی در محدودسازی دامنه احتمالی جرم این ذره گریزان و بنیادی است که می‌تواند مسیر‌های جدیدی در فیزیک ذرات فراتر از مدل استاندارد بگشاید.

نوترینو؛ ذره‌ای فراوان، اما دست‌نیافتنی

نوترینو‌ها ذراتی بنیادی، بدون بار الکتریکی و فوق‌العاده سبک هستند که در سه نوع یا «طعم» مختلف وجود دارند: نوترینوی الکترونی، نوترینوی میونی و نوترینوی تائو. آنها قادرند هنگام حرکت از یک طعم به طعمی دیگر تبدیل شوند؛ پدیده‌ای که به آن نوسان نوترینویی گفته می‌شود. این ویژگی نشان می‌دهد نوترینو‌ها برخلاف فرض اولیه مدل استاندارد که آنها را بدون جرم می‌دانست، دارای جرم هستند. با این حال، مقدار دقیق جرم آنها همچنان یکی از بزرگ‌ترین معما‌های فیزیک ذرات است.

به دلیل ویژگی‌های خاصشان، نوترینو‌ها لقب «ذرات روح» را گرفته‌اند؛ چرا که شناسایی آنها بسیار دشوار است. میلیارد‌ها نوترینو در هر ثانیه بدون هیچ اثری از بدن ما عبور می‌کنند. آنها به‌شدت با ماده ضعیف برهم‌کنش دارند و قادرند از میان سیارات، ستارگان و حتی کهکشان‌ها عبور کنند. این ذرات نخستین بار در دهه ۱۹۳۰ پیش‌بینی شدند و دهه‌ها بعد به‌طور تجربی تأیید شدند و امروزه نقش کلیدی در پاسخ به برخی از بزرگ‌ترین پرسش‌های فیزیک ایفا می‌کنند.

بتا-واپاشی؛ پنجره‌ای به سوی جرم نوترینو

در این مطالعه جدید، مکس آکر و همکارانش در پروژه KATRIN، نتایج حاصل از پنج مرحله جمع‌آوری داده را ارائه کرده‌اند. این آزمایش با استفاده از فرآیند بتا-واپاشی ایزوتوپ تریتیوم (شکل پرتوزای هیدروژن) تلاش می‌کند جرم نوترینو را تخمین بزند. در این واپاشی، یکی از نوترون‌های هسته تریتیوم به پروتون تبدیل می‌شود و یک الکترون و یک پادنوترینوی الکترونی آزاد می‌شود. با اندازه‌گیری دقیق انرژی الکترون آزادشده، می‌توان مقدار جرم پادنوترینو را به‌صورت غیرمستقیم محاسبه کرد.

بین سال‌های ۲۰۱۹ تا ۲۰۲۱، تیم KATRIN انرژی حدود ۳۶ میلیون الکترون را ثبت کردند که شش برابر داده‌های قبلی است. تحلیل این داده‌ها منجر به دقیق‌ترین حد بالای آزمایشگاهی برای جرم مؤثر نوترینوی الکترونی شد: کمتر از ۰/۴۵ eV با ضریب اطمینان ۹۰ درصد. این سومین به‌روزرسانی بزرگ در محدودسازی جرم نوترینو محسوب می‌شود و دقت اندازه‌گیری نسبت به نتایج پیشین را دو برابر کرده است.

چشم‌اندازی نو برای فیزیک نوترینو

به گفته لورِدانا گاستالدو، در یادداشت تحلیلی همراه با مقاله اصلی، کارزار اندازه‌گیری جرم نوترینو در آزمایش KATRIN تا سال ۲۰۲۵ ادامه خواهد داشت و پس از ثبت حدود هزار روز داده، به پایان خواهد رسید. تحلیل نهایی این مجموعه عظیم داده می‌تواند جرم مؤثر نوترینوی الکترونی را به مقدار هدف‌گذاری‌شده ۰/۳ الکترون‌ولت با ضریب اطمینان ۹۰ درصد نزدیک کند.