آزمایش کارلسروهه تریتیوم نوترینو (KATRIN) نشان می‌دهد که جرم نوترینو از ۱ الکترون‌ولت بیشتر نیست، این نتیجه در بیش از نیمی از آزمایش‌های مشابه موجود به‌دست آمده است.

شکل ۱. تصویر طیف الکترون استفاده‌شده در آزمایش KATRIN.

باوجود تلاش‌های چندده‌ساله‌ی دانشمندان، نوترینو همچنان یک ذره‌ی واقعاً اسرارآمیز باقی مانده است. حتی مهم‌ترین ویژگی بنیادی آن، جرم، همچنان ناشناخته است. شناخت آنچه به نوترینو جرم می‌دهد می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا فیزیک جدید ورای مدل استاندارد را بشناسند. و ازآنجاکه نوترینو فراوان‌ترین ذره‌ی جرم‌دار در جهان است، مقدار جرم آن در مدل‌های کیهان‌شناسی اهمیت زیادی دارد و بر چگونگی تشکیل ساختارهای بزرگ‌مقیاس تأثیرگذار است. آزمایش کارلسروهه تریتیوم نوترینو (KATRIN) در آلمان پس از حدود دو دهه طراحی و آماده‌سازی اولین نتایج خود را اعلام کرد^۱. برپایه‌ی ارزش داده‌های به‌دست‌آمده طی فقط یک ماه، گروه کاری حد بالای ۱.۱ الکترون‌ولت را برای جرم نوترینو قرار داد، که حد جرم استخراج‌شده در آزمایش‌های پیشین را از مرتبه‌ی ۲ بهبود بخشیده است که به‌طور مستقیم جرم ذره را مشخص می‌کند.

ما از سال ۱۹۹۸ می‌دانستیم که نوترینو جرم دارد، و با فرضیات مدل استاندارد فیزیک ذرات مغایرت دارد. شاهد غیرقابل‌انکار برای جرم نوترینو، نوسانات نوترینو است که در آن یکی از سه طعم نوترینو به‌محض انتشار به دیگری تبدیل می‌شود^۲-۴. این نوسانات فقط درصورتی ممکن است که نوترینو جرم‌دار باشد و آهنگ نوسان به اختلاف مربع جرم‌ها بین حالت‌های جرمی مختلف نوترینو بستگی دارد: Δm_ij²=m_i²−m_j² که در آن i,j = 1, 2, 3 است. بهترین ابزار برای مشخص‌کردن این اختلافات جرمی انجام آزمایشاتی است که در آنها نوسانات طعم‌ها با حرکت نوترینو در فواصل بسیار طولانی آشکارسازی شود. چنین اندازه‌گیری‌هایی تعیین کرده است که دو از سه جرم طعم‌های نوترینو حداقل بزرگ‌تر از ^3-10×8 الکترون‌ولت است. بااین‌حال، باید استراتژی‌های کاملاً متفاوتی برای جمع‌آوری اطلاعات درباره‌ی مقدارهای مطلق حالت‌های مختلف جرم نوترینو، m_i، به‌کار گرفت.

اکنون برای تعیین جرم نوترینو سه روش استفاده می‌شود. روش اول بر داده‌های تابش زمینه‌ی کیهانی (CMB)^۵ تکیه دارد تا روی مجموع جرم‌های سه نوترینو حدی بگذارد. روش دوم برپایه‌ی واپاشی بتای دوگانه‌ی بدون نوترینو^۶ است، یک فرایند واپاشی رادیواکتیو که در آن دو نوترینو بدون تابش نوترینو به دو پروتون و دو الکترون واپاشی می‌شوند. این واپاشی بسیار نادر است و در آزمایش‌ها هرگز مشاهده نشده است. هرچند این آشکارسازی‌نشدن حدی روی آهنگ واپاشی می‌گذارد که به‌نوبه‌ی خود روی جرم مایورانا (فرمیونِ مایورانا)، m_ββ، حد می‌گذارد؛ ترکیب خطی جرم‌های نوترینو با وزن ضرایب، U_ei²، که با ترکیب نوترینو مرتبط است: ∣m_ββ=∣ΣU_ei²m_i . آزمایش‌هایی از این نوع حساسیت‌های بسیار خوبی روی جمع و جمع مایورانای موثر کسب کرده و نویدبخش پیشرفت های چشمگیری در آینده است. بااین‌همه محدودیت‌های استخراج‌شده از این روش‌ها به مدل‌های کیهان‌شناسی و مدل‌های واپاشی دوگانه‌ی بتای به‌کاررفته برای سازگارکردن داده‌ها بستگی دارد.

روش سوم، که KATRIN به‌آن تکیه دارد، اندازه‌گیری مستقیم جرم نوترینو را ارائه می‌دهد که به مدل اشاره‌شده در ادامه‌ی مطلب بستگی دارد. این روش که به نقطه‌ی پایان واپاشی بتا معروف است، برپایه‌ی رصد واپاشی بتای ترتیوم به هلیوم ۳، یک الکترون و یک پادنوترینوی الکترون است. نقطه‌ی پایان، بیشینه انرژی الکترون تابش‌شده است. مقدار نقطه‌ی پایان درمقایسه‌با مورد نوترینوی بدون‌جرم با جرم نوترینو (^1/2(m_β=U_ei²m_i²)) جابه‌جا می‌شود و شکل توزیع انرژی الکترون تابش‌شده منحرف می‌شود. چالش این آزمایش‌ها این است که اطلاعات مربوطه در انتهای انرژی بالای طیف الکترون تابشی قرار دارد، که در آن آهنگ شمارش الکترون‌ها به‌سرعت کاهش می‌یابد. آزمایش‌ها برای دستیابی به حساسیت موردنیاز برای حل این آثار کوچک، به منبعی با مقدار زیاد واپاشی بتای تولیدی، آشکارسازی با قدرت تفکیک (وضوح) و راندمان بالای انرژی‌های بالا و محیطی که رخدادهای زمینه‌ای کمی تولید کند نیاز دارد.

شکل ۲. (پایین) طرح کلی مجموعه KATRIN. (بالا) اصول کاری آزمایش. یک منبع گازی اتم‌های تریتیوم (³H) تولید می‌کند که تحت واپاشی بتا به هلیم۳ (³He)، الکترون‌ها (⁻e) و پادنوترینوی الکترون (ν̄) است. الکترون‌ها به طیف‌سنجی منتقل می‌شوند که الکترون‌های پرانرژی‌تر نزدیک به نقطه‌ی پایان را پیش از رسیدن به آشکارساز انتخاب می‌کند.

KATRIN پس از برنامه‌ی طولانی تحقیق‌وتوسعه به‌سمت برآوردن همه‌ی نیازمندی‌ها برای فراگیری و بهینه‌سازی بهترین فناوری‌های تولیدی در سال‌های گذشته هدایت شده است. بخصوص یک منبع گازی‌ که جریان قوی‌ای از ترتیوم مولکولی با خلوص ایزوتوپی بالا فراهم می‌کند. و یک طیف‌سنج غول‌پیکر (شکل ۱) براساس موازی‌سازی مغناطیسی در ترکیب با فیلتر الکترواستاتیک به محققان این امکان را می‌دهد تا فقط الکترون‌های نزدیک به انرژی نقطه‌ی پایان، ۱۸.۵۷ کیلوالکترون‌ولت، را انتخاب کرده و انرژی آنها را با وضوح ۲.۸ الکترون‌ولت اندازه‌گیری کنند. باتوجه به این ویژگی‌ها، طرح (شکل ۲) این امکان را فراهم کرده تا محدوده‌ی نقطه‌ی پایان را با نسبت سیگنال‌‌به‌ نوفه بالا و خطاهای سیستماتیک کوچک مشخص کنند. قابل‌توجه است که فقط با چهار هفته جمع‌آوری داده، عدم‌قطعیت‌های آماری کل با ضریب ۲ از هر آزمایش قبلی بهتر بود. KATRIN حد بالای ۱.۱ الکترون‌ولت را برای جرم نوترینو به‌دست آورد (با درجه اطمینان ۹۰درصد)، حدود ۲برابر کوچک‌تر از آنچه که ویژگی‌های مستقل از مدل پیشین برپایه‌ی واپاشی ایزوتوپ به‌دست آورده بود.

درآینده چه خواهد شد؟ KATRIN برای بیش از پنج سال داده جمع می‌کند تا به بیشینه‌ی حساسیت خود، ۰.۲ الکترون‌ولت، برسد. هیچ پیشرفتی فراتر از این نقطه را نمی‌توان متصور شد، چراکه KATRIN به حداکثر اندازه و پیچیدگی که عملاً قابل‌دستیابی است رسیده است. اگر جرم نوترینو با حساسیت ۰.۲الکترون‌ولت دیده نشود، احتمالاً KATRIN کمک بیشتری نمی‌تواند به دانشمندان بکند.

فراتر رفتن از KATRIN باید مورد بررسی قرار گیرد. پروژه‌ی ۸ رویکرد تجربی جدیدی برپایه‌ی آشکارسازی تابش‌های سیکلوترون تابیده از الکترون ارائه کرده است^۷. پروژه‌ی ۸، مانند KATRIN، براساس نقطه‌ی پایان واپاشی بتا تریتیوم است،‌اما ایده‌ی اصلی آن انرژی الکترون‌های تابشی با قراردادن آنها در یک مدار دایره‌ای و آشکارسازی تابش‌های تولیدی آنها است. انتظار می‌رود که این آزمایش در مرحله‌ی نهایی خود به حساسایت ۴۰میلی‌الکترون‌ولت برسد. امکان دیگر برای اندازه‌گیری مستقیم جرم نوترینو با بررسی گیراندازی الکترون در ایزوتوپ مصنوعی هولمیوم۱۶۳ فراهم می‌شود. دو پروژه‌ی ^۸ECHo و HOLMES^۹ باهدف اندازه‌گیری انرژی آزادشده در واپاشی هولمیوم۱۶۳ درپی گیراندازی الکترون هستند. یک بررسی دقیق باید مقدار انرژی‌های گم‌شده را نشان دهد که به جرم نوترینو بستگی خواهد داشت. هر دو آزمایش برای حساسیت‌های کمتر از یک الکترون‌ولت در جرم نوترینوهای الکترون طراحی شده‌اند. درنهایت، پروژه‌ی PTOLEMY رویکرد متفاوتی را دنبال می‌کند^۱۰، هدف آن آشکارسازی نوترینوهای کیهانی پس‌زمینه (CNB) است –نوترینوهای باستانی که طی مهبانگ آزاد شده‌اند. درحالی‌که CNB هنوز رصد نشده، شواهد غیرمستقیمی مبنی بر وجود آنها داریم. PTOLEMY شامل گیراندازی نوترینوهای CNB در هسته‌ی تریتیوم و مشخص‌کردن جرم آنها با فن‌آوری‌ای‌ است که ترکیبی از رویکرد طیف‌سنجی KATRIN و رویکرد تابش سیکلوترون پروژه‌ی ۸ است.

باوجود اندازه‌گیری‌های زیاد و جالب در گوشه‌وکنار ممکن است پاسخ یکی از مهم‌ترین پرسش‌های فیزیک زودتر از آنچه فکرش را می‌کنیم، پیدا شود.

منبع:

https://physics.aps.org/articles/v12/129

مراجع:

M. Aker et al. (KATRIN Collaboration), “Improved upper limit on the neutrino mass from a direct kinematic method by KATRIN,” Phys. Rev. Lett. 123, 221802 (2019).

۲.

Y. Fukuda et al. (Super-Kamiokande Collaboration), “Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos,” Phys. Rev. Lett. 81, 1562 (1998).

Q. R. Ahmad et al. (SNO Collaboration), “Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral-current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory,” Phys. Rev. Lett. 89, 011301 (2002).

۴.

K. Eguchi et al. (KamLAND Collaboration), “First Results from KamLAND: Evidence for reactor antineutrino disappearance,” Phys. Rev. Lett. 90, 021802 (2003).

۵.

N. Aghanim et al. (Planck Collaboration), “Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters,” arXiv:1807.06209.

۶.

M. Agostini et al. (GERDA Collaboration), “Probing Majorana neutrinos with double-β decay,” Science 365, 1445 (2019).

۷.

A. Ashtari Esfahani et al. (Project 8 Collaboration), “Determining the neutrino mass with cyclotron radiation emission spectroscopy—Project 8,” J. Phys. G 44, 054004 (2017).

۸.

L. Gastaldo et al., “The electron capture in 163Ho experiment – ECHo,” Eur. Phys. J. Spec. Top. 226, 1623 (2017).

۹.

A. Nucciotti et al., “The use of low temperature detectors for direct measurements of the mass of the electron neutrino,” Adv. High Energy Phys. 2016, 9153024 (2016).

۱۰.

M. G. Betti et al., “Neutrino physics with the PTOLEMY project: active neutrino properties and the light sterile case,” J. Cosmol. Astropart. Phys. 7, 047 (2019).

نویسنده:

Riccardo Brugnera، استادیار دانشگاه پادووا در ایتالیا است. او برای آزمایش ZEUS در برخورددهنده‌ی HERA روی تولید J/Ψ و کوارک سنگین در برخوردهای الکترون-پروتون کار می‌کرد. سپس به نوترینو علاقمند شد، در آزمایش OPERA در LNGS در ایتالیا مشارکت کرد که اولین آشکارسازی مستقیم نوسانات ν_τ→ν_μ در مد (حالت) نمایش را ایجاد کرد. او سخنگوی آزمایش GERDA در LNGS است که به بررسی واپاشی بتای دوگانه بدون نوترینوی ⁷⁶Ge اختصاص یافته است. همچنین وی عضو آزمایش واپاشی بتای دوگانه‌ی بدون‌نوترینوی LEGEND و آزمایش نوسان نوترینوی JUNO است.