Avvicinarsi allo sfuggente neutrino

L’umile neutrino, una sfuggente particella subatomica che attraversa facilmente la materia ordinaria, gioca un ruolo enorme tra le particelle che compongono il nostro universo. Per spiegare completamente come è nato l’universo, dobbiamo conoscerne la massa. Ma, come molti di noi, evita di sentirsi appesantito.

Ora, un team internazionale di ricercatori provenienti da Stati Uniti e Germania Conduci un’impresa ambiziosa chiamata Progetto 8 I rapporti indicano che la loro strategia distintiva è un contendente realistico per essere il primo a misurare la massa dei neutrini. Una volta completamente ampliato, il Progetto 8 potrebbe aiutare a rivelare come i neutrini abbiano influenzato l’evoluzione iniziale dell’universo come lo conosciamo.

nel 2022, Gruppo di ricerca di Caterina Metti un limite superiore alla pesantezza di un neutrino. Questo risultato è stata un’impresa monumentale che ha richiesto decenni per essere completata. Ma questi risultati restringono semplicemente la finestra di ricerca. Katrin raggiungerà presto i suoi limiti di rilevamento, e forse un giorno li supererà, ma il neutrino leggerissimo potrebbe essere ancora più leggero, il che fa sorgere la domanda: “Qual è il prossimo?”

tracciamento dei fantasmi

Nel loro ultimo studio, il team del Progetto 8 riporta in Physical Review Letters che possono utilizzare una tecnica completamente nuova per tracciare e registrare in modo affidabile un evento naturale chiamato decadimento beta. Ogni evento rilascia una piccola quantità di energia quando una rara forma radioattiva di idrogeno chiamata trizio decade nelle sue tre particelle subatomiche: uno ione elio, un elettrone e un neutrino.

Il successo finale del Progetto 8 dipende da un piano ambizioso. Invece di provare a rilevare un neutrino – che passa facilmente attraverso la maggior parte delle tecnologie di rilevamento – il gruppo di ricerca ha invece seguito una semplice strategia di misurazione che può essere riassunta come segue:

Sappiamo che la massa totale di un atomo di trizio è uguale all’energia delle sue parti, grazie ad Einstein. Quando misuriamo un elettrone libero dal decadimento beta e conosciamo la massa totale, l’energia “mancante” è la massa e il movimento del neutrino.

“In linea di principio, man mano che la tecnologia si sviluppa e si espande, abbiamo un’opportunità realistica di raggiungere la scala necessaria per determinare la massa dei neutrini”, ha affermato Brent Vandefender, uno dei principali ricercatori del Progetto 8 del DOE. Laboratorio nazionale del Pacifico nordoccidentale.

Perché Progetto 8?

Questi ricercatori hanno scelto di perseguire una strategia ambiziosa perché hanno considerato i pro e i contro e hanno concluso che poteva funzionare.

Talia Weiss è una studentessa laureata in fisica nucleare alla Yale University. Lei e i suoi colleghi del progetto hanno impiegato 8 anni per capire come estrarre con precisione i segnali elettronici dal rumore di fondo elettronico. Christine Claessens è una ricercatrice post-dottorato presso l’Università di Washington e ha conseguito il dottorato di ricerca. Nel Progetto 8 presso l’Università di Magonza, in Germania. Weiss e Claessens hanno eseguito le due analisi finali che hanno fissato per la prima volta i limiti sulla massa del neutrino derivata dalla nuova tecnica.

“Il neutrino è incredibilmente leggero”, ha detto Weiss. “È più di 500.000 volte più leggero di un elettrone. Pertanto, quando neutrini ed elettroni vengono creati contemporaneamente, la massa del neutrino ha solo un piccolo effetto sul movimento dell’elettrone. Vogliamo vedere questo piccolo effetto. Pertanto, abbiamo bisogno di un modo super accurato per misurare la velocità con cui si muovono gli elettroni”.

Il Progetto 8 si basa proprio su una tecnica di questo tipo, sperimentata più di dieci anni fa dai fisici Joe Formaggio e Ben Monreal, che allora lavoravano al MIT. Un team internazionale si è riunito attorno all’idea e al formato del progetto 8 per trasformare la visione in uno strumento pratico. Il metodo risultante è chiamato spettroscopia di emissione di radiazioni ciclotroniche (CRES). Raccoglie la radiazione a microonde emessa dagli elettroni neonati mentre ruotano in un campo magnetico. Questi elettroni trasportano la maggior parte, ma non tutta, dell’energia rilasciata durante l’evento di decadimento beta. È quell’energia mancante che può rivelare la massa del neutrino. Questa è la prima volta che il decadimento beta del trizio, e un limite superiore alla massa del neutrino, è stato misurato utilizzando la tecnica CRES.

Il team è interessato solo a tracciare questi elettroni perché la loro energia è fondamentale per rivelare la massa del neutrino. Sebbene questa strategia sia stata utilizzata in precedenza, il rilevatore CRES misura l’energia cruciale degli elettroni con il potenziale di estenderla ben oltre qualsiasi tecnologia esistente. È questa scalabilità che distingue il Progetto 8. Elise Nowitzki è un professore assistente presso l’Università di Washington e ha guidato molti aspetti del lavoro appena pubblicato.

“Nessuno lo fa”, ha detto Nowitzki. “Non stiamo prendendo una tecnologia esistente e cercando di modificarla un po’. Viviamo come nel selvaggio West.”

Nel loro ultimo esperimento, condotto presso l’Università di Washington a Seattle, il team ha monitorato 3.770 eventi di decadimento del trizio beta nel corso di un periodo sperimentale di 82 giorni in una singola cella campione delle dimensioni di un pisello. La cella campione viene raffreddata criogenicamente e collocata in un campo magnetico che intrappola gli elettroni emergenti abbastanza a lungo da consentire alle antenne di registrazione del sistema di registrare il segnale a microonde.

Ancora più importante, il team non ha registrato falsi segnali o eventi di fondo che potrebbero essere confusi con la realtà. Questo è importante perché anche uno sfondo molto piccolo può mascherare il segnale di massa del neutrino, rendendo più difficile l’interpretazione del segnale utile.

Dai cinguettii ai segnali

Un sottogruppo di ricercatori del Progetto 8, guidati da Noah Oblat, un fisico sperimentale del PNNL, ma con la partecipazione di dozzine di altri ricercatori provenienti da diverse istituzioni, ha sviluppato una serie di programmi specializzati, ognuno dei quali prende il nome da un diverso insetti***, per prendere in considerazione i dati grezzi e convertirli in segnali che possono essere analizzati. E gli ingegneri del progetto si sono messi a lavorare per inventare le diverse parti che compongono il Progetto 8.

“Abbiamo ingegneri che svolgono un ruolo fondamentale in questo sforzo”, ha detto Nowitzki. “È un po’ là fuori dal punto di vista di un ingegnere. La fisica sperimentale è un po’ al confine tra fisica e ingegneria. Bisogna convincere ingegneri intraprendenti e fisici dalla mentalità pratica a collaborare, e far sì che queste cose vengano alla luce perché queste cose non sono nei libri di testo.”

Arrivare al traguardo

Ora che il team ha dimostrato il suo progetto sperimentale e il suo sistema alimentato da particelle di trizio, ha un altro compito urgente. Una parte dell’intero team sta ora lavorando al passo successivo: un sistema che produce, raffredda e intrappola i singoli atomi di trizio. Questo passaggio è difficile perché il trizio, come il suo cugino più abbondante, l’idrogeno, preferisce formare molecole. Queste particelle renderebbero irraggiungibili gli obiettivi finali del Project Team 8. I ricercatori, guidati da fisici dell’Università di Magonza, stanno sviluppando un banco di prova per creare e intrappolare il trizio atomico utilizzando complesse serie di magneti che gli impediranno persino di toccare le pareti cellulari del campione, dove è quasi certo che ritorni al livello molecolare. . Modulo.

Questo progresso tecnologico e l’ampliamento dell’intero dispositivo saranno i passi fondamentali per raggiungere e, in ultima analisi, superare la sensibilità raggiunta dal team di Kathryn.

Attualmente, il gruppo di ricerca, che comprende membri provenienti da dieci istituti di ricerca, sta testando progetti per espandere l’esperimento da una camera campione delle dimensioni di un pisello a una camera 1.000 volte più grande. L’idea qui è quella di catturare più eventi di decadimento beta utilizzando un dispositivo di ascolto più grande, dalle dimensioni di un pisello a quelle di un pallone da spiaggia.

“Il Progetto 8 non è solo un esperimento CRES più grande e migliore, è il primo esperimento CRES ed è stato il primo a utilizzare questa tecnologia di rilevamento”, ha affermato Oblath. “Ciò non è mai stato fatto prima. La maggior parte degli esperimenti ha una storia di 50 o 100 anni, almeno per la tecnologia di rilevamento utilizzata, mentre questa è abbastanza nuova.”

Ci vuole il villaggio

Ciascun investigatore del team di progetto apporta 8 competenze complementari al lavoro del team. L’elenco completo dei collaboratori è disponibile sul sito web di Project 8.

Il Progetto 8 è sostenuto dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dall’Office of Nuclear Physics, dalla National Science Foundation, dalla fondazione di ricerca tedesca PRISMA+ Cluster of Excellence e da investimenti interni da parte di tutte le istituzioni collaboratrici.

***La suite di software sviluppata appositamente dagli investigatori che lavorano al Progetto 8 include Morpho, Locust, Katydid, Psyllid e Dragonfly.