大きな電子計算機が、物理学で最もスリップスリップの多い既知の粒子の測定値を間接的に検出し、暗黒物質の証拠に追加しました。
その測定は、ニュートリノの質量を測定する国際的な取り組みの最初の結果です。ニュートリノの質量は、宇宙を満たし、その構造を決定しますが、ほとんど検出することはできません。ニュートリノは、ドイツのカールスルーエトリチウムニュートリノ実験（KATRIN）によると、電子の質量は0.0002％以下です。その数は非常に少ないので、たとえ宇宙のすべてのニュートリノを集計したとしても、彼らはその失われた質量を説明することができませんでした。そしてその事実は暗黒物質の存在の証拠の山に追加します。
KATRINは基本的に、トリチウムのサンプルから放出される超高エネルギー電子（放射性形態の水素）をカウントするための非常に大きなマシンです。各原子に1つの陽子と2つの中性子があります。トリチウムは不安定であり、その中性子は電子ニュートリノ対に崩壊します。ニュートリノは微弱すぎて正確に測定できないため、KATRINはニュートリノではなく電子を探します。 KATRINの科学者でワシントン大学の名誉教授であるHamish Robertson氏によると、このマシンはトリチウムガスを使用しています。これは、優れた質量測定を行うのに十分単純な電子ニュートリノ源だからです。
ニュートリノは質量が非常に少なく、検出器と相互作用せずに検出器から飛び出す傾向があるため、それ自体で正確に測定することは多かれ少なかれ不可能です。ニュートリノの質量を把握するために、ロバートソン氏はライブサイエンスに語った。KATRINは最もエネルギーの高い電子をカウントし、その数から逆算してニュートリノの質量を推定します。 KATRINからの最初の結果が発表され、研究者たちは初期の結論に達しました。ニュートリノの質量は1.1電子ボルト（eV）以下です。
電子ボルトは、物理学者が宇宙で最も小さなことについて話すときに使用する質量とエネルギーの単位です。 （基本粒子のスケールでは、エネルギーと質量は同じ単位を使用して測定され、ニュートリノと電子のペアは、それらの中性子と同等のエネルギーレベルを組み合わせる必要があります。）他の粒子に質量を与えるヒッグスボソンは、 1250億EVの質量。原子の中心にある粒子である陽子の質量は約9億3800万eVです。電子は、わずか510,000 eVです。この実験は、ニュートリノが信じられないほど小さいことを確認しています。
カトリンは非常に大きな機械ですが、その方法は簡単です、とロバートソンは言いました。デバイスの最初のチャンバーはガス状のトリチウムで満たされ、その中性子は自然に電子とニュートリノに崩壊します。物理学者は、中性子が崩壊するときにどれだけのエネルギーが必要かをすでに知っています。エネルギーの一部はニュートリノの質量と電子の質量に変換されます。そして残りは、新しく作成されたパーティクルに注がれ、大まかにそれらが進む速度を決定します。通常、その余分なエネルギーは、電子とニュートリノの間でかなり均等に分配されます。しかし、残りのエネルギーのほとんどまたはすべてが、ある粒子または別の粒子に放出されることがあります。
その場合、ニュートリノと電子が形成された後に残ったすべてのエネルギーが電子パートナーに放出され、超高エネルギー電子を形成するとロバートソン氏は述べた。つまり、ニュートリノの質量を計算できるということです。これは、中性子崩壊に関与するエネルギーから、実験での電子の質量と電子の最大エネルギーレベルを差し引いたものです。
実験を設計した物理学者はニュートリノを測定しようとしませんでした。それらはそのままの状態で機械から脱出することができます。代わりに、実験では電子を分光計と呼ばれる巨大な真空チャンバーに送り込みます。電流は、非常に強い磁場を生成します。この磁場は、高エネルギーの電子のみが通過できます。そのチャンバーの反対側には、電界を通過する電子の数をカウントするデバイスがあります。 KATRINが磁場の強さをゆっくりと増加させると、ロバートソン氏は、通過する電子の数は減少する-まるでまるでそれがゼロに至るまで衰退するかのように。しかし、その電子エネルギーレベルのスペクトルの最後で、何かが起こります。
「ニュートリノの質量は電子によって奪われることができないため、スペクトルは終点に到達する前に突然消滅します。常にニュートリノのために残しておく必要があります」とロバートソン氏は語った。ニュートリノの質量は、スペクトルの最端部で失われたそのわずかなエネルギーよりも小さくなければなりません。そして、数週間のランタイムの後、実験者はその数を、物理学者が以前に知っていた数の約半分に絞り込みました。
ニュートリノには質量があるという考えは革命的です。ロバートソン氏は、標準モデルは、ニュートリノに質量がまったくないと主張された後、亜原子の世界を説明する主力の物理理論であると指摘した。 1980年代までさかのぼって、ロシアとアメリカの研究者たちはニュートリノの質量を測定しようとしましたが、その結果には問題があり、不正確でした。ある時点で、ロシアの研究者はニュートリノの質量を正確に30 eVで固定しました-宇宙の壮大な重力構造を説明するミッシングリンクとしてニュートリノを明らかにし、すべてのミッシングマスを埋める素晴らしい数-1つそれは間違っていることがわかりました。
ロバートソンと彼の同僚は、かすかに放射性物質が科学に利用可能な中性子崩壊の最も正確な発生源を提供していることを彼らが認識した後、当時ガストリチウムでの作業を始めました。
「これは長い間捜索されてきた」とロバートソンは言った。 「ロシアの30 eVの測定は、宇宙を重力で閉じたので非常にエキサイティングでした。そのため、それでもエキサイティングです。ニュートリノは宇宙論で大きな役割を果たしており、おそらく宇宙の大規模構造を形作っています。」
それらのすべてのかすかな粒子は、重力で他のすべてのものを引っ張り、他のすべての物質からエネルギーを受け取って貸します。ロバートソン氏によると、質量数が減少するにつれて、これらの小さな粒子が果たす正確な役割はより複雑になります。
研究者によると、1.1 eVの数値は興味深いものです。これは、実験的に得られた最初のニュートリノ質量数であり、他の宇宙の構造を単独で説明するには十分ではないためです。
「私たちがまだ何もわかっていない問題があります。この暗黒の問題があります」そして私たちが知っているニュートリノでそれを作ることはできないと彼は言った。
したがって、ドイツの大きな真空チャンバーからのこの少数は、少なくとも宇宙には物理学がまだ理解していない要素があるという証拠の山に少なくとも追加されます。
