Οι φυσικοί ανιχνεύουν ραδιοκύματα από ένα μόνο ηλεκτρόνιο
Οι φυσικοί γνώριζαν από καιρό ότι φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια θα σπειροειδοποιηθούν σε ένα μαγνητικό πεδίο και θα εκπέμψουν ακτινοβολία. Αλλά κανείς δεν είχε ποτέ ανιχνεύσει τα ραδιοκύματα που προέρχονται από ένα μόνο στροβιλιζόμενο ηλεκτρόνιο - μέχρι τώρα. Η εντυπωσιακή νέα τεχνική που χρησιμοποίησαν οι ερευνητές για να το κάνουν θα μπορούσε κάποια μέρα να βοηθήσει τους φυσικούς των σωματιδίων να απαντήσουν σε μια ερώτηση που τους ενοχλούσε εδώ και δεκαετίες:Πόσο ζυγίζει ένα φανταστικό σωματίδιο που ονομάζεται νετρίνο;
"Αυτό είναι ένα μεγάλο επίτευγμα από μόνο του και πραγματικά ανυπομονούμε να δούμε αυτή την τεχνολογία να αναπτύσσεται με την πάροδο του χρόνου", λέει ο Guido Drexlin, φυσικός αστροσωματιδίων στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης στη Γερμανία, ο οποίος δεν συμμετείχε στην εργασία. /P>
Για να κατανοήσουμε το πείραμα, ας υποθέσουμε ότι ένα ηλεκτρόνιο πετάει οριζόντια μέσα από ένα κατακόρυφο μαγνητικό πεδίο. Θα βιώσει μια πλάγια δύναμη που είναι ανάλογη τόσο με την ταχύτητά του όσο και με την ισχύ του πεδίου. Αυτή η σταθερή πλάγια ώθηση θα κάνει το ηλεκτρόνιο να κινείται κυκλικά (βλ. διάγραμμα). Αλλά αυτή η στροφή θα αναγκάσει επίσης το ηλεκτρόνιο να εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα, όπως ένα υγρό πανί πιάτων θα πετάξει από σταγόνες νερού αν το στροβιλίσετε πάνω από το κεφάλι σας. Φυσικά, η ακτινοβολία θα μειώσει την ενέργεια του ηλεκτρονίου, έτσι ώστε σταδιακά να σπειρωθεί προς τα μέσα.
Αυτή η επίδραση είναι κατανοητή εδώ και έναν αιώνα. Χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ακτίνων Χ στέλνοντας ηλεκτρόνια που τρέχουν γύρω από κυκλικούς επιταχυντές σωματιδίων γνωστούς ως σύγχροτρον. Τέτοια ακτινοβολία προέρχεται επίσης από στροβιλιζόμενα σωματίδια στο διαστρικό χώρο. Τώρα, 27 φυσικοί με το Project 8, ένα πείραμα που βασίζεται στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, στο Σιάτλ, έχουν ανιχνεύσει ακτινοβολία από ένα μόνο ηλεκτρόνιο. «Σκέφτηκα ότι σίγουρα κάποιος πρέπει να το έκανε αυτό», λέει ο Brent VanDevender, πυρηνικός φυσικός και μέλος της ομάδας από το Εθνικό Εργαστήριο Βορειοδυτικού Ειρηνικού στο Ρίτλαντ της Ουάσιγκτον. "Έψαξα, έψαξα και έψαξα στη βιβλιογραφία και δεν βρήκα τίποτα."
Για να ανιχνεύσει το εκατομμυριοστό του σήματος νανοβάτ, η ομάδα του Project 8 χρειαζόταν μια πηγή ηλεκτρονίων με συγκεκριμένη ενέργεια, ένα μέσο συλλογής της ακτινοβολίας και υπερευαίσθητους ενισχυτές για να ανιχνεύσει το σήμα. Για να πάρουν τα ηλεκτρόνια, ξεκίνησαν με σφαιρίδια επικαλυμμένα με το μέταλλο ρουβίδιο-83, το οποίο υφίσταται ραδιενεργό διάσπαση για να παράγει αέριο κρυπτόν-83. Οι ερευνητές παγίδευσαν το αέριο σε μια κυψέλη μεγέθους δακτύλου. Στη συνέχεια, κάθε αναδευόμενος πυρήνας κρυπτών υποβλήθηκε σε μια εσωτερική αναδιάρθρωση που έκανε το άτομο να εκτοξεύσει ένα ηλεκτρόνιο με συγκεκριμένη ενέργεια.
Το ηλεκτρόνιο θα έκανε κύκλους στο πεδίο που παρέχεται από έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη και θα ακτινοβολούσε. Το κρίσιμο είναι ότι η κυψέλη στην οποία περιφερόταν ήταν ένας «οδηγός κυμάτων», ένα είδος αγωγού σχεδιασμένου να μεταφέρει ηλεκτρομαγνητικά κύματα στη σωστή περιοχή συχνοτήτων—25 gigahertz έως 27 gigahertz—σε μια αλυσίδα ενισχυτών χαμηλού θορύβου. Η ομάδα μπόρεσε να παρακολουθήσει την ακτινοβολία από ένα μόνο ηλεκτρόνιο για αρκετά χιλιοστά του δευτερολέπτου—αρκετά ώστε να δει τη συχνότητά της να αυξάνεται σταδιακά καθώς το ηλεκτρόνιο κινούνταν προς τα μέσα, όπως αναφέρουν οι ερευνητές αυτήν την εβδομάδα στο Επιστολές Φυσικής Ανασκόπησης .
Οι φυσικοί των σωματιδίων ήταν από καιρό σε θέση να μετρήσουν τις ενέργειες μεμονωμένων ηλεκτρονίων, ας πούμε βλέποντάς τα να συντρίβονται σε κρυστάλλους που εκπέμπουν φως σε αναλογία με την ενέργεια του ηλεκτρονίου. Αλλά αυτές οι τεχνικές γενικά απορροφούν το ηλεκτρόνιο, σημειώνει ο VanDevender. Η νέα μέθοδος ανοίγει το δρόμο για τη μέτρηση της ενέργειας ενός ηλεκτρονίου "μη καταστροφικά" χωρίς να την απορροφήσει.
Η ομάδα του Project 8 ελπίζει να χρησιμοποιήσει την τεχνική για να μετρήσει τη μάζα των ακόμα μυστηριωδών σωματιδίων που είναι γνωστά ως νετρίνα, λέει ο VanDevender. Σκοπεύουν να μελετήσουν τον πυρήνα του τριτίου, ο οποίος περιέχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Υποβάλλεται σε μια διαδικασία που ονομάζεται βήτα διάσπαση, κατά την οποία ένα νετρόνιο μετατρέπεται σε πρωτόνιο ενώ φτύνει ένα νετρίνο και ένα ηλεκτρόνιο. Το σχεδόν μη ανιχνεύσιμο νετρίνο και το ηλεκτρόνιο θα μοιραστούν την ενέργεια που απελευθερώνεται στη διάσπαση, με τη διαίρεση να ποικίλλει τυχαία από τη μια διάσπαση στην άλλη. Μετρώντας τη μέγιστη ενέργεια των ηλεκτρονίων, οι ερευνητές μπορούν να συναγάγουν την ελάχιστη ενέργεια των νετρίνων και ως εκ τούτου τη μάζα του νετρίνου.
Οι φυσικοί γνωρίζουν ότι η μάζα των νετρίνων πρέπει να είναι τουλάχιστον 50 mili-electrovolt (meV), ή περίπου 1/10.000.000 της μάζας ενός ηλεκτρονίου. Αυτό συμβαίνει επειδή τα νετρίνα έρχονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους ή γεύσεις, ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής τους, και διαφορετικές γεύσεις μπορούν να μεταμορφωθούν η μία στην άλλη. Τέτοιες «ταλαντώσεις νετρίνων» είναι δυνατές μόνο εάν οι διαφορετικές γεύσεις έχουν διαφορετικές μάζες. Ταυτόχρονα, μελέτες για την εξέλιξη του σύμπαντος υποδηλώνουν ότι τα νετρίνα έχουν μάζα μικρότερη από 230 meV. Αλλά μέχρι στιγμής —παρά τις προσπάθειες δεκαετιών— οι άμεσες μετρήσεις βήτα-διάσπασης δείχνουν μόνο ότι τα νετρίνα ζυγίζουν λιγότερο από 2000 meV.
Στο άμεσο μέλλον, ωστόσο, φυσικοί με το Πείραμα Νετρίνου Τριτίου της Καρλσρούης (KATRIN) σχεδιάζουν να κάνουν τις μετρήσεις τριτίου 10 φορές πιο ευαίσθητες χρησιμοποιώντας πιο συμβατικές τεχνικές. Θα πρέπει να αρχίσουν να λαμβάνουν δεδομένα το επόμενο έτος, λέει ο Drexlin, συν-εκπρόσωπος της ομάδας KATRIN. «Δεν βλέπω το [Project 8] ως ανταγωνισμό για την KATRIN, αλλά ως μια μελλοντική πιθανότητα να προχωρήσουμε πέρα από αυτό», λέει ο Drexlin. Ωστόσο, σημειώνει, πολλά μέλη της ομάδας του Project 8 είναι επίσης μέλη της ομάδας KATRIN και είναι πιθανό στο μέλλον οι δύο τεχνικές να συνδυαστούν.
*Διόρθωση, 22 Απριλίου, 11:43 π.μ.: Το διάγραμμα έχει αλλάξει για να δείξει τον σωστό προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου.
