Fizikanët duan të shtojnë përpjekjet e tyre për të peshuar neutrinon, që është ndoshta më i mistershmi ndër të gjithë pjesët elementare

Aktualisht, vetëm një eksperiment në botë ka një shans për të bërë një gjë të tillë — detektori i madh, në formën e një Zeppelini, i neutrinos së Tritiumit në Karlsruhe (KATRIN) në Gjermani. Por, kërkuesit në një numër të vogël laboratorësh të tjerë kanë zhvilluar qasje alternative, dhe këtë javë ata u mblodhën në Genova, Itali, për të krahasuar shënimet në një workshop të quajtur NuMass 2024.

Tretë ekipet thonë se kanë ndërtuar eksperimente në shkallë të vogël që tregojnë se teknikat e tyre mund të funksionojnë. Një grup tjetër po punon në një qasje që mund të jetë edhe më e fuqishme. Kërkuesit shpresojnë të ndërtojnë versione më të mëdha të këtyre pajisjeve që në fund të mund të konkurrojnë me KATRIN, ose madje t’i përmirësojnë ato.

Vëzhgimet e strukturës kozmike në shkallët më të mëdha sugjerojnë se neutrino janë shumë të lehta, me masa, në më së shumti, 0.12 elektronvoltë — katër milion herë më të vogël se masa e një elektroni. Në qoftë se këto vlerësime janë të sakta, atëherë masa e vërtetë e neutrinos do të jetë jashtë afatit të KATRIN. “Ne shqetësohemi se KATRIN, edhe pse është një eksperiment i madh, mund të mos jetë në gjendje të përcaktojë masën,” thotë fizikani Matteo Borghesi i Universitetit të Milan-Bicoccës në Itali, i cili prezantoi përparimin e ekipit të tij në një teknikë eksperimentale alternative në workshop. “Ne duhet të jemi të përgatitur.”

Masa e neutrinos
Për të peshuar neutrinon, fizikanët përdorin shpërthimin e izotopeve radioaktive. Neutrino që prodhohen në këto shpërthime shpëtojnë pa u zbuluar, por masa e tyre mund të llogaritet duke matur energjinë e pjesëve që mbeten.

KATRIN përdor shpërthimin ‘beta decay’ të tritiumit, një izotopi të rëndë, radioaktiv të hidrogjenit. Kur tritiumi shpërthehet, një prej tre neutroneve në bërthamën e tij konvertohet në një proton, duke dërguar jashtë një elektron (nënkuptohet një pjesë beta) dhe një neutrino (ose, për të qenë të saktë, një particle me masën e njëjtë të quajtur antineutrino). Shpërthimi lëshon një sasi të gjithëmasë e cila është e njohur mirë, dhe shumica e kësaj energjie transportohet nga elektroni dhe neutrino, në formë energjie kinetike si dhe energjia e kapur në masat e dy particles. Neutrino mund të dalë me një gamë të mundshme energjish, por në minimum duhet të transportojë shumën që përmban në masën e tij. KATRIN synon të vlerësojë këtë minimum duke matur gjithë gamën e energjive të elektroneve korrespondente, të cilat mund t’i përcaktojë sipas vendit ku elektronet ndalen në strukturën e formës së Zeppelinit.

Më tej, për t’u dhënë një masë të sakta, KATRIN matur gamën e plote të energjive të elektroneve korrespondente, të cilat mund të përcaktohen sipas vendit ku elektronet ndalen në strukturën e formës së Zeppelinit.

Deri më tani, rezultati më i mirë i KATRIN është që të vendos një kufi të sipërme prej 0.8 eV për masën e neutrinos, dhe ndjeshmëria më e mirë e mundshme është 0.2 eV. Prandaj, kur bashkëpunimi i KATRIN publikon rezultatet e fundit më vonë këtë vit, ai do të jetë në gjendje të bëjë një masë të përcaktuar vetëm nëse masa është midis 0.2 dhe 0.8 eV. Një rezultat i tillë do të ishte në kundërshtim të dukshëm me vlerësimet nga kozmologjia, thotë Olga Mena, një fizikante teorike e pjesës së fizikës së particlave në Institutin e Fizikës së Pjesës në Valencë, Spanjë. Për masën e neutrinos për të qenë në varg të atyre që KATRIN mund të matë do të duhej “fizikë e egzotike, e pa thjeshtë” thotë Mena, si forcave themelore të panjohura që ndikojnë në neutrinos, ose ndryshimeve në teorinë e gravitetit të Einshëjn.

Kapja elektronike
Fizikanët duan të zhvillojnë teknika që në fund të mund të shtyjnë ndjeshmërinë në masa më të lehta, si dhe të ofrojnë kontrolla kryq midis eksperimenteve. Workshopi NuMass vjen në një kohë interesante për fushën, thotë fizikani Loredana Gastaldo në Universitetin e Heidelbergut në Gjermani, sepse disa nga këto alternative tashmë kanë pjekur në atë pikë që ato mund të shndërrohen në eksperimente të plotë. Një opsion përfiton nga shpërthimi i holmium-163, një izotopi radioaktiv i elementit të rrallë toka, holmium.

Ndryshe nga tritiumi, holmium-163 nuk përjeton shpërthimin beta. Në vend, një prej elektroneve në atomin e tij ‘kapet’ nga një proton në bërthamën e tij. Kjo konverton protonin në një neutron, duke liruar një neutrino dhe fotone. Elektroni i kapur lë pas një boshllëk në konfiguracionin e elektroneve të atomit, dhe elektronët e tjerë shpejtë riformohen, liruar energji. Nëse atomi origjinal i holmiumit ishte i ngulur në një material, të gjithë ajo energji do të mbetej e kapur, duke prodhuar një sasi të vogël të ngrohjes që mund të matet me një detektor të mjaftueshëm të ndjeshëm.

Idetë për përdorimin e kësaj qasjeje, e quajtur kapja elektronike, erdhën për herë të parë te Álvaro de Rújula, një fizikant teorik në CERN, laboratori europian i fizikës së pjesës jashtë Gjenevës, Zvicrë, gjatë një qëndrimi në Rio de Zhaneiro, Brazil, në 1981. Ai ishte në plazh në lagjen Copacabana, thotë ai, kur papritmas mori inspirim duke shikuar formën e Majmës së Sheqerit pranë, e cila ka “formën e spektrit të kapjes elektronike” (një grafikë që tregon gamën e energjive që mund të maten si ngrohje e mbetur nga shpërthimi).

Fizikanët braktisën idenë pas disa përpjekjeve fillestare, por ajo u mor përsëri në fund të viteve 1990 nga Gastaldo dhe një fizikan tjetër, Angelo Nucciotti në Milan-Bicocca. Edhe pse të dy grupet punuan “heroikisht” dhe me pak njohuri për shumë vite, thotë de Rújula.

Çdo prej dy grupeve ndjek një qasje të ndryshme për të injektuar holmium-163 në gërrkat e metaleve të futura në detektorë ngrohjeje të ndjeshme që mbahen në temperatura afër zero absolut. Të dy grupet kanë treguar se mund të matin energjinë me precizion të lartë. Në 2019, Gastaldo dhe bashkëpunëtorët e saj vendosën një kufi të sipërme prej 150 eV për masën e neutrinos, dhe ata aktualisht po punojnë për të përmirësuar atë me një faktor prej 10. “Tani mund t’i tregojmë që holmiumi është në lojë, gjithashtu,” thotë Gastaldo.

Metoda alternative
Një qasje tjetër është përshkruar në workshop nga Juliana Stachurska, një fizikante në Massachusetts Institute of Technology (MIT) në Kembrixh. Në një eksperiment të quajtur Projekti 8, ajo dhe bashkëpunëtorët e saj vendosin gaz tritiumi me densitet të ulët në një shishe magnetike, e cila mban elektronet nga shpërthimi beta duke përdorur fushat magnetike. Në punën e botuar vitin e kaluar, kërkuesit treguan se mund të matnin energjinë e elektroneve me precizion të lartë duke analizuar rrugët radio. Ekipi planifikon të kalojë te tritiumi atomik, i cili është më i vështirë për të trajtuar, por do të hiqte disa pasiguritë eksperimentale që kanë kufizuar precizionin e eksperimenteve të mëparshme, duke përfshirë KATRIN. “Askush nuk ka bërë kurrë tritium atomik më parë,” thotë Stachurska.

Fizikani i MIT Joseph Formaggio, një zëdhënës për Projekti 8, thotë se shpreson një ditë të ndërtojë një version të madh të eksperimentit që mund të arrijë ndjeshmërinë në 0.04 eV — aq të vogël sa të mund të përmbushë kufijtë e rreptë nga eksperimentet kozmologjike.

Edhe më tej në rrugë, një eksperiment i propozuar quhet PTOLEMY dhe planifikon të përdorë tritium të festë, në vend të gazit, të bashkangjitur me filma të një materiali karboni të hollë atomik të quajtur grafen. Kjo do të mundësonte kërkuesit të mbushin shumë më shumë tritium dhe të marrin një numër më të lartë të shpërthimeve radioaktive.

Për momentin, komuniteti me padurim po pret rezultatet finale nga KATRIN, thotë Borghesi. Edhe pasi ky eksperiment arrijë në kufijtë e ndjeshmërisë së dizajnit të tij, kërkuesit që janë të përfshirë planifikoj