素粒子物理学の標準モデルは、科学で最も印象的な偉業の1つです。これは、宇宙の4つの基本的な力のうちの3つである電磁力、強い核力、弱い核力を理解して説明するための厳密で正確な取り組みです。これまでのところ、重力を標準モデルに適合させることは非常に困難であるため、重力はありません。
しかし、標準モデルにはいくつかの穴があり、そのうちの1つはニュートリノの質量に関係しています。
ニュートリノの存在は1930年に最初に提案され、1956年に検出されました。それ以来、物理学者は3種類のニュートリノがあり、それらは豊富でとらえどころのないものであることを知っています。それらは他の事柄とめったに相互作用しないため、それらを検出できるのは特別な施設だけです。それらにはいくつかのソースがあり、それらのいくつかはビッグバン以来宇宙を飛び交っていますが、地球の近くのニュートリノのほとんどは太陽から来ています。
標準モデルは、ニュートリノには光子のような質量がないと予測しています。しかし、物理学者たちは、3種類のニュートリノが動くと、互いに変化することを発見しました。物理学者によると、彼らは質量がある場合にのみそれを行うことができるはずです。
しかし、どのくらいの質量ですか？それは素粒子物理学者を悩ませてきた質問です。そして、その質問に答えることは、KATRIN（カールスルーエトリチウムニュートリノ実験）で科学者を駆り立てるものの一部です。
「KATRINのコラボレーションによるこれらの調査結果は、ニュートリノの以前の質量範囲を2分の1に減らします...」
ハミッシュ・ロバートソン、カトリン科学者、ワシントン大学物理学教授。
ニュートリノの質量は1.1電子ボルト（eV）を超えることはできません。これは、ニュートリノの質量の上限を1 eV近く減らすことです。 2 eVから1.1 eVまで。質量の下限を0.02 eVに設定した以前の実験に基づいて、これらの研究者はニュートリノの質量に新しい範囲を設定しました。ニュートリノは電子の質量の1 / 500,000未満であることを示しています。これは、標準モデルの進歩における重要なステップです。
「ニュートリノの質量を知ることで、科学者は宇宙論、天体物理学、素粒子物理学の基本的な質問に答えることができます…」
ワシントン大学のKATRIN科学者で物理学の名誉教授であるHamish Robertson。
この研究の背後にいる研究者は、世界中の20の異なる研究機関から来ています。彼らはドイツのカールスルーエ工科大学でKATRINと協力しています。 KATRIN施設には、高精度の電子エネルギーを測定できる10メートルの高分解能分光計が備わっています。
KATRINチームは、9月13日に日本の富山で開催される2019 Topics in Astroparticle and Underground Physicsカンファレンスで結果を発表しました。
KATRINの科学者で物理学の名誉教授であるHamish Robertsonは、次のように述べています。ワシントン大学で。 「これらのKATRIN共同研究による発見は、以前のニュートリノの質量範囲を2分の1に減らし、ニュートリノの質量が実際に何であるかについてより厳しい基準を設定し、その値を決定的に測定するための道筋を提供します。」
ニュートリノは豊富ですが、検出が難しいことで有名です。光子だけがより豊富です。彼らの名前が言うように、彼らは電気的に中立です。これはそれらを検出することを非常に困難にします。南極の氷の深いところ、そして廃坑の深いところに沈んでいるニュートリノ観測所があります。彼らはしばしばニュートリノを相互作用させるために重水を使用します。ニュートリノが相互作用すると、測定可能なチェレンコフ放射が発生します。
「太陽系を鉛の軌道を超えて50倍まで鉛で満たした場合、太陽によって放出されたニュートリノの約半分は、その鉛と相互作用せずに太陽系を離れることになります」とRobertson氏は述べています。
ニュートリノの歴史は、KATRINなどの実験によって時間とともに進化してきました。元々、標準モデルはニュートリノに質量がないと予測していました。しかし、2001年には、2つの異なる検出器が質量がゼロでないことを示しました。 2015年のノーベル物理学賞は、ニュートリノがタイプ間で振動し、質量があることを示す2人の科学者に授与されました。
KATRIN施設は、ニュートリノの質量を間接的に測定します。放射性の高い水素であるトリチウムの崩壊を監視することで機能します。トリチウム同位体が崩壊すると、電子と反ニュートリノの粒子のペアを放出します。これらを合わせて、18,560 eVのエネルギーを共有しています。
ほとんどの場合、一対の粒子は18,560 eVを等しく共有します。しかし、まれに、電子がほとんどのエネルギーを占有し、ニュートリノをほとんど残さない場合があります。これらのまれなインスタンスは、科学者が焦点を当てているものです。
E = mC2があるため、これらのまれなケースでニュートリノに残されるわずかなエネルギーも、その質量と等しくなければなりません。 KATRINには電子を正確に測定する能力があるため、ニュートリノの質量を決定することもできます。
「ニュートリノの質量を解決することは、私たちを新しい標準モデルを作成するための勇気ある新しい世界に導くでしょう」とカトリンに取り組んでいるワシントン大学の物理学の研究教授であるピータードーは言った。
Doeが言及するこの新しい標準モデルは、宇宙のほとんどの問題を構成する暗黒物質を説明する可能性があるかもしれません。 KATRINのような取り組みにより、ある日、別の第4のタイプのニュートリノ（無菌ニュートリノと呼ばれる）が検出されることがあります。これまでのところ、この4番目のタイプは推測にすぎませんが、ダークマターの候補です。
「ニュートリノは奇妙な小さな粒子です」とDoeは言いました。 「それらは非常にユビキタスであり、この値を決定すれば、学ぶことがたくさんあります。」
ニュートリノに質量があることを示すことと、その質量の範囲を制限することはどちらも重要です。しかし、素粒子物理学者はまだ質量を得る方法を知りません。それはおそらく他の粒子がそれらを得る方法とは異なります。
KATRINからのこのような結果は、標準モデルの穴を塞ぐのに役立ち、宇宙に対する私たちの全体的な理解に役立ちます。宇宙にはビッグバンの古代のニュートリノがたくさんあり、ニュートリノの質量が進歩するたびに、宇宙がどのように形成され進化したかを理解するのに役立ちます。
もっと：
- プレスリリース：KATRIN、とらえどころのないニュートリノの質量推定値を半分に削減
- カールスルーエ工科大学：KATRIN
- CERN：標準モデル
- Symmetry Magazine：標準モデルでは説明できない5つの謎
- MITニュース：3Q：科学者はニュートリノの質量の見積もりを半分に削ります
