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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 mühelos normale Materie durchdringt, spielt unter den Teilchen, aus denen unser Universum besteht, eine übergroße Rolle. Um vollständig zu erklären, wie unser Universum entstanden ist, müssen Wissenschaftler seine Masse kennen.
Aber es stellt sich heraus, dass das Neutrino einer Wägung entgeht.
In einem Papier In der am 6. September in Physical Review Letters veröffentlichten Studie berichtete ein internationales Forscherteam aus den USA, Deutschland und Frankreich, dass eine besondere Strategie, die sie verwendeten, vielversprechend ist und der erste Ansatz zur Messung der Masse von Neutrinos sein könnte. Sobald sie vollständig bereitgestellt sind, ist ihre Zusammenarbeit – Projekt 8 – 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 grundlegenden und außergewöhnlichen Problems der Physik – der Neutrinomasse – und wir glauben wirklich, dass es auf einem guten Weg ist, diese Frage und noch viel mehr zu beantworten“, sagte der Co-Autor und Projektleiter. 8 Wissenschaftler Elise NovitskiAssistenzprofessor für Physik an der University of Washington.
Im Jahr 2022 KATRIN, eine separate Zusammenarbeit mit Sitz in Deutschland, hat eine neue Obergrenze für die Neutrinomasse festgelegt – eine jahrzehntelange Anstrengung, an der UW-Forscher mitgewirkt haben. Es wird jedoch erwartet, dass KATRIN irgendwann an die Grenzen seiner Fähigkeit stößt, den Neutrino-Massenbereich einzugrenzen, was Wissenschaftler auf der ganzen Welt zu der Frage veranlasst: „Was kommt als nächstes?“
Wissenschaftler von Projekt 8 glauben, dass ihr Ansatz die Antwort sein könnte. Ihre Arbeit konzentriert sich auf ein gut charakterisiertes Phänomen namens Beta-Zerfall. Viele radioaktive Varianten von Elementen durchlaufen diesen Prozess. Projekt 8 basiert auf der Nutzung des Betazerfalls von Tritium – einer seltenen und radioaktiven Variante von Wasserstoff – zur Berechnung der Neutrinomasse.
Beim Betazerfall von Tritium entstehen ein Heliumion, ein Elektron und ein Neutrino. Anstatt zu versuchen, das Neutrino nachzuweisen, das die meisten Nachweistechnologien durchläuft, konzentrierte sich das Forschungsteam stattdessen auf die Messung des beim Betazerfall erzeugten freien Elektrons. Diese Elektronen transportieren den größten Teil, aber nicht die gesamte Energie, die beim Betazerfall freigesetzt wird. Und diese „fehlende“ Energie setzt sich aus der Masse und Bewegung des Neutrinos zusammen.
„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 minimalen Einfluss auf die Bewegung des Elektrons. Wir wollen diesen kleinen Effekt sehen. Wir brauchen also eine äußerst präzise Methode, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Elektronen bewegen.
In ihrer jüngsten Arbeit zeigten Wissenschaftler des Projekts 8, dass sie eine neue Technik – die Zyklotronstrahlungsemissionsspektroskopie (CRES) – verwenden könnten, um den Betazerfall zuverlässig zu verfolgen und aufzuzeichnen. Abhängig von ihren Ergebnissen könnte CRES zur Berechnung der Eigenschaften von Neutrinos, einschließlich ihrer Masse, verwendet werden.
„Grundsätzlich haben wir durch technologische Entwicklungen und Skalierung eine realistische Chance, den Bereich zu erreichen, der zur Bestimmung der Masse von Neutrinos erforderlich ist“, sagte Co-Autor Brent VanDevender, ein Projekt-8-Wissenschaftler an der University of Washington. Pacific Northwest National Laboratoryeine Einrichtung des US-Energieministeriums.
Die Physiker Joe Formaggio und Ben Monreal haben CRES vor mehr als einem Jahrzehnt am Massachusetts Institute of Technology entwickelt. Ein internationales Team schloss sich der Idee an und gründete Project 8, um ihre Vision in ein praktisches Werkzeug umzusetzen. CRES fängt die Mikrowellenstrahlung ein, die von neugeborenen Elektronen abgegeben wird, wenn sie sich in einem Magnetfeld drehen.
Wissenschaftler des Projekts 8 haben Jahre damit verbracht, herauszufinden, wie man elektronische Signale genau vom Hintergrundrauschen unterscheiden kann. Weiss und Christine Claessens – eine Postdoktorandin der UW, die als Doktorandin an der Universität Mainz in Deutschland an Projekt 8 arbeitete – führten die beiden abschließenden Analysen durch, die mithilfe von CRES-Daten Grenzen für die Masse der Neutrinos festlegten. Dies ist das erste Mal, dass Tritium-Beta-Zerfälle gemessen und mit der CRES-Technik eine Obergrenze für die Neutrinomasse festgelegt wurden.
Der an der UW gebaute und untergebrachte CRES-Detektor misst diese entscheidende elektronische Energie mit dem Potenzial, über jede bestehende Technologie hinaus zu skalieren. Laut Novitski ist die Skalierbarkeit das, was Project 8 auszeichnet.
„Niemand sonst macht das“, sagte Novitski. „Wir nehmen keine bestehende Technik und versuchen, sie ein wenig zu ändern. Wir sind ein bisschen im Wilden Westen.
In ihrem jüngsten Experiment verfolgte das Team 3.770 Tritium-Beta-Zerfallsereignisse über einen 82-tägigen Testzeitraum in einer erbsengroßen Probenzelle. Die Probenzelle wird kryogen gekühlt und in ein Magnetfeld gebracht, das die austretenden Elektronen lange genug einfängt, damit die Aufzeichnungsantennen des Systems ein Mikrowellensignal aufzeichnen können.
Eine Untergruppe von Projekt-8-Forschern entwickelte außerdem eine Reihe spezieller Software – jeweils benannt nach Insekten wie Katydid und Libelle –, um Rohdaten in Signale umzuwandeln, die analysiert werden konnten. Und Projektingenieure mussten die Hardware und Detektoren entwerfen und bauen, die Projekt 8 Wirklichkeit werden lassen.
„Wir haben Ingenieure, die bei diesem Vorhaben eine entscheidende Rolle spielen“, sagte Novitski. „Aus der Sicht eines Ingenieurs ist es etwas anders. Die Experimentalphysik liegt an der Grenze zwischen Physik und Ingenieurwesen. Um diese Dinge zu verwirklichen, bedarf es besonders abenteuerlustiger Ingenieure und praktisch denkender Physiker, die zusammenarbeiten, denn diese Dinge kommen nicht in Lehrbüchern vor.
Nachdem das Team nun gezeigt hat, dass sein experimentelles System mit Tritiummolekülen funktioniert, arbeiten sie an Entwürfen, um das Experiment von der erbsengroßen Probenahmekammer auf eine tausendmal größere Kammer zu erweitern, um mehr Beta-Zerfallsereignisse zu erfassen. Sie entwickeln außerdem ein experimentelles Gerät, um einzelne Tritiumatome zu erzeugen, zu kühlen und einzufangen – eine schwierige 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 Entwicklung des gesamten Apparats werden die entscheidenden Schritte sein, um die durch das KATRIN-Experiment erreichte Empfindlichkeit zu erreichen und letztendlich zu übertreffen.
„Es wird jahrelange Anstrengungen erfordern. Aber wir glauben, dass es uns letztendlich diese kleine Antwort – die Masse dieses winzigen Neutrinos – mit enormen Auswirkungen geben wird“, sagte der Co-Autor und Projekt-8-Wissenschaftler. Grauer RybkaPhysikprofessor an der UW.
Weitere Co-Autoren der UW sind aktuelle und ehemalige Doktoranden Ali Ashtari Esfahani, Jeremy Hartse und Eris Machado; Peter Doe, emeritierter Professor und Forscher 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].
Adaptiert von a Geschichte vom Pacific Northwest National Laboratory.
Schlagwörter: Hochschule für Künste und Wissenschaften • Fachbereich Physik • Elise Novitski • Gray Rybka • Physik
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