L’esperimento “Particella fantasma” riduce la massa del neutrino con una precisione senza precedenti

Concetto di neutrino di collisione di particelle

I neutrini sono più leggeri di 0,8 elettronvolt

Nuovo record mondiale: l’esperimento KATRIN limita la massa di un neutrino con una precisione senza precedenti.

I neutrini sono probabilmente le particelle elementari più sorprendenti nel nostro mondo. In cosmologia svolgono un ruolo importante nella formazione di strutture su larga scala, mentre nella fisica delle particelle, la loro massa piccola ma diversa da zero le separa l’una dall’altra, indicando nuovi fenomeni fisici al di là delle nostre attuali teorie. Senza misurare la scala di massa dei neutrini, la nostra comprensione dell’universo rimarrà incompleta.

Gli scienziati spesso si riferiscono ai neutrini come a una “particella fantasma” perché non interagiscono mai con altra materia.

Questa è la sfida internazionale carlsruhe TRtiom nL’esperimento eutrino (KATRIN) al Karlsruhe Institute of Technology (KIT) con partner di sei paesi è il misuratore di neutrini più sensibile al mondo. Utilizza il decadimento beta del trizio, un isotopo instabile dell’idrogeno, per determinare la massa di un neutrino attraverso la distribuzione di energia degli elettroni rilasciati nel processo di decadimento. Ciò richiede un grande sforzo tecnico: l’esperimento di 70 metri include la sorgente di trizio più densa del mondo e uno spettrometro gigante per misurare l’energia degli elettroni di decadimento con una precisione senza precedenti.

Lo spettrometro principale di Catherine

Montaggio degli elettrodi nello spettrometro principale dell’esperimento KATRIN. Credito: Joachim Wolf/KIT

L’elevata qualità dei dati dopo l’inizio delle misurazioni scientifiche nel 2019 è stata costantemente migliorata negli ultimi due anni. “KATRIN è un esperimento con i più elevati requisiti tecnologici e ora funziona come l’orologio perfetto”, afferma con entusiasmo Guido Drexlin (KIT), responsabile del progetto e uno dei relatori coinvolti nell’esperimento. Christian Weinheimer ([{” attribute=””>University of Münster), the other co-spokesperson, adds that “the increase of the signal rate and the reduction of background rate were decisive for the new result.”

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Data analysis

The in-depth analysis of this data was demanding everything from the international analysis team led by its two coordinators, Susanne Mertens (Max Planck Institute for Physics and TU Munich) and Magnus Schlösser (KIT). Each and every effect, no matter how small, had to be investigated in detail. “Only by this laborious and intricate method we were able to exclude a systematic bias of our result due to distorting processes. We are particularly proud of our analysis team which successfully took up this huge challenge with great commitment,” the two analysis coordinators are pleased to report.

KATRIN Experiment Setup

The 70 meter long KATRIN experiment with its main components tritium source, main spectrometer and detector. Credit: Leonard Köllenberger/KATRIN Collaboration

The experimental data from the first year of measurements and the modeling based on a vanishingly small neutrino mass match perfectly: from this, a new upper limit on the neutrino mass of 0.8 eV can be determined (Nature Physics, July 2021). This is the first time that a direct neutrino mass experiment has entered the cosmologically and particle-physically important sub-eV mass range, where the fundamental mass scale of neutrinos is suspected to be. “The particle physics community is excited that the 1-eV-barrier has been broken by KATRIN,” comments neutrino expert John Wilkerson (University of North Carolina, Chair of the Executive Board).

Susanne Mertens explains the path to the new record: “Our team at the MPP in Munich has developed a new analysis method for KATRIN that is specially optimized for the requirements of this high-precision measurement. This strategy has been successfully used for past and current results. My group is highly motivated: We will continue to meet the future challenges of KATRIN analysis with new creative ideas and meticulous accuracy.”

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Ulteriori misurazioni dovrebbero migliorare la sensibilità

I portavoce e i coordinatori dell’analisi di KATRIN sono molto ottimisti riguardo al futuro: “Le misurazioni aggiuntive della massa dei neutrini continueranno fino alla fine del 2024. Per realizzare il pieno potenziale di questo esperimento unico, non solo aumenteremo le statistiche degli eventi segnale, ma sviluppiamo costantemente e l’installazione di miglioramenti per ridurre ulteriormente il tasso di background.”

Lo sviluppo del nuovo sistema di rilevamento (TRISTAN) gioca un ruolo determinante in questo, consentendo a KATRIN dal 2025 in poi di iniziare la ricerca di neutrini “sterili” con masse nell’intervallo del kiloelettronvolt, un candidato per la misteriosa materia oscura nell’universo. che si è già manifestato in molte osservazioni astrofisiche e cosmologiche, ma la sua natura particella-fisica è ancora sconosciuta.

Riferimento: “Misurazione diretta della massa del neutrino con sensibilità sub-eV” 14 febbraio 2022 Disponibile qui. Fisica della natura.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01463-1

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