“Ghost Particle”-experiment vermindert de neutrino-massa met ongekende nauwkeurigheid

Neutrino’s zijn lichter dan 0,8 elektronvolt

Nieuw wereldrecord: het KATRIN-experiment beperkt de massa van een neutrino met ongekende precisie.

Neutrino’s zijn misschien wel de meest verbazingwekkende elementaire deeltjes in onze wereld. In de kosmologie spelen ze een belangrijke rol bij de vorming van grootschalige structuren, terwijl in de deeltjesfysica hun kleine maar niet-nulmassa ze van elkaar scheidt, wat wijst op nieuwe fysieke verschijnselen die verder gaan dan onze huidige theorieën. Zonder de massaschaal van neutrino’s te meten, zal ons begrip van het universum onvolledig blijven.

Dit is de internationale uitdaging karlsruhe TRItiom NHet eutrino-experiment (KATRIN) aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) met partners uit zes landen is ’s werelds meest gevoelige meter voor neutrino’s. Het gebruikt het bètaverval van tritium, een onstabiele waterstofisotoop, om de massa van een neutrino te bepalen via de energieverdeling van de elektronen die vrijkomen bij het vervalproces. Dit vereist een grote technische inspanning: het 70 meter lange experiment omvat ’s werelds dichtste tritiumbron en een gigantische spectrometer om de energie van de vervalelektronen met ongekende nauwkeurigheid te meten.

Montage van elektroden in de hoofdspectrometer van het KATRIN-experiment. Krediet: Joachim Wolf/KIT

De hoge kwaliteit van de gegevens na de start van wetenschappelijke metingen in 2019 is de afgelopen twee jaar continu verbeterd. “KATRIN is een experiment met de hoogste technologische eisen en werkt nu als het perfecte horloge”, vertelt Guido Drexlin (KIT), projectleider en een van de bij het experiment betrokken sprekers, enthousiast. 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.”

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.

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.”

Aanvullende metingen zouden de gevoeligheid moeten verbeteren

KATRIN-woordvoerders en analysecoördinatoren zijn zeer optimistisch over de toekomst: “Aanvullende neutrino-massametingen zullen doorgaan tot eind 2024. Om het volledige potentieel van dit unieke experiment te realiseren, zullen we niet alleen de statistieken van signaalgebeurtenissen vergroten, we zijn constant bezig met het ontwikkelen van en het installeren van verbeteringen om de achtergrondsnelheid verder te verlagen.”

De ontwikkeling van het nieuwe detectorsysteem (TRISTAN) speelt hierin een bepalende rol, waardoor KATRIN vanaf 2025 op zoek kan gaan naar ‘steriele’ neutrino’s met massa’s in het kilo-elektronvoltbereik, een kandidaat voor de mysterieuze donkere materie in het heelal. die zich al in veel astrofysische en kosmologische waarnemingen heeft gemanifesteerd, maar de deeltjesfysische aard ervan is nog onbekend.

Referentie: “Directe meting van neutrinomassa met sub-eV-gevoeligheid” 14 februari 2022 Hier beschikbaar. Natuurfysica.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01463-1