Ζυγίζοντας τα σύμπαντα πιο άπιαστο σωματίδιο

Ο ασημένιος θάλαμος κενού μοιάζει με ζέπελιν, οι αόριστες γραμμές Art Deco των συγκολλήσεων μεταξύ των πάνελ από ανοξείδωτο χάλυβα φαίνονται ταυτόχρονα φουτουριστικές και παλιομοδίτικα. Το ένα δέκατο του μεγέθους του Hindenburg —αλλά ακόμα τόσο μεγάλο όσο μια γαλάζια φάλαινα—το σκάφος φαίνεται σε ένα κτήριο σαν υπόστεγο εδώ στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT), φαινομενικά έτοιμο να επιπλεύσει μακριά. Αν και είναι συνδεδεμένος με τη γη, ο θάλαμος έχει έναν αιθέριο σκοπό:να ζυγίζει το πιο άπιαστο και μυστηριώδες από τα υποατομικά σωματίδια, το νετρίνο.

Οι φυσικοί ονειρεύτηκαν το πείραμα με νετρίνο τριτίου της Καρλσρούης (KATRIN) το 2001. Τώρα, τα κομμάτια του έργου των 60 εκατομμυρίων ευρώ ενώνονται επιτέλους και οι ερευνητές της KATRIN σχεδιάζουν να ξεκινήσουν τη λήψη δεδομένων στις αρχές του επόμενου έτους. "Αυτή είναι πραγματικά η τελική αντίστροφη μέτρηση", λέει ο Guido Drexlin, φυσικός στο KIT και συν-εκπρόσωπος των περίπου 140 ερευνητών που εργάζονται στο έργο.

Μπορεί να φαίνεται παράλογο το ότι οι φυσικοί δεν γνωρίζουν πόσο ζυγίζουν τα νετρίνα, δεδομένου ότι το σύμπαν περιέχει περισσότερα από αυτά από οποιοδήποτε άλλο είδος σωματιδίου ύλης. Κάθε κυβικό εκατοστό του διαστήματος αντιστοιχεί κατά μέσο όρο σε περίπου 350 αρχέγονα νετρίνα που παραμένουν από τη Μεγάλη Έκρηξη και κάθε δευτερόλεπτο, ο ήλιος στέλνει τρισεκατομμύρια νετρίνα υψηλότερης ενέργειας που ρέουν μέσω του καθενός μας. Ωστόσο, κανείς δεν παρατηρεί, επειδή τα σωματίδια αλληλεπιδρούν με την ύλη τόσο αδύναμα. Ο εντοπισμός μόνο μερικών από αυτούς απαιτεί έναν ανιχνευτή βάρους πολλών τόνων. Δεν υπάρχει απλός τρόπος να ζυγίσετε ένα νετρίνο.

Αντίθετα, τα τελευταία 70 χρόνια, οι φυσικοί προσπάθησαν να συμπεράνουν τη μάζα του νετρίνου μελετώντας μια συγκεκριμένη πυρηνική διάσπαση από την οποία αναδύεται το σωματίδιο - τη βήτα διάσπαση του τριτίου. Ξανά και ξανά, αυτά τα πειράματα έχουν θέσει μόνο ανώτερα όρια στη μάζα του νετρίνου. Το KATRIN μπορεί να είναι η τελευταία, καλύτερη ελπίδα των φυσικών για να το μετρήσουν — τουλάχιστον χωρίς μια επαναστατική νέα τεχνολογία. "Αυτό είναι το τέλος του δρόμου", λέει ο Peter Doe, ένας φυσικός και μέλος της KATRIN από το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον (UW) στο Σιάτλ.

Οι φυσικοί της KATRIN δεν έχουν καμία εγγύηση ότι θα πετύχουν. Από πολύ διαφορετικά είδη πειραμάτων - όπως γιγάντιοι υπόγειοι ανιχνευτές που εντοπίζουν νετρίνα από το διάστημα - γνωρίζουν τώρα ότι το νετρίνο δεν μπορεί να είναι χωρίς μάζα. Αλλά τα τελευταία χρόνια, δεδομένα από ακόμη πιο μακρυά - χάρτες του σύμπαντος στις μεγαλύτερες κλίμακες - υποδηλώνουν ότι το νετρίνο μπορεί να είναι πολύ ελαφρύ για να το καταλάβει η KATRIN. Ωστόσο, ακόμη και οι κοσμολόγοι λένε ότι το πείραμα αξίζει να γίνει. Εάν η μάζα των νετρίνων διαφεύγει του KATRIN, η τρέχουσα κατανόησή τους για τον κόσμο θα έχει περάσει άλλη μια δοκιμασία.

Εάν η KATRIN βρει κάτι, οι κοσμολόγοι θα μείνουν να ξύνουν τα κεφάλια τους και να λένε, "Πού κάναμε λάθος;"

• Λίτσια Βέρντε, Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης

Μια οριστική μέτρηση, από την άλλη πλευρά, θα ήταν δυνητικά επαναστατική. "Αν η KATRIN βρει κάτι", λέει η Licia Verde, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης στην Ισπανία, "οι κοσμολόγοι θα μείνουν να ξύνουν τα κεφάλια τους και να λένε, "Πού κάναμε λάθος;""

Τα νετρίνα πρόδωσαν πρώτα την ύπαρξή τους μέσω μιας απουσίας. Το 1914, ο βρετανός φυσικός Τζέιμς Τσάντγουικ μελετούσε τη βήτα διάσπαση, μια μορφή ραδιενεργής διάσπασης στην οποία ένας πυρήνας εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο, μετατρέποντας ένα νετρόνιο σε πρωτόνιο. Η διατήρηση της ενέργειας πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια από έναν συγκεκριμένο πυρήνα, ας πούμε το μόλυβδο-214, πρέπει πάντα να αναδύονται με την ίδια ενέργεια. Αντίθετα, ο Chadwick έδειξε ότι αναδύονται με μια σειρά ενεργειών που εκτείνονται μέχρι το μηδέν, σαν να εξαφανιζόταν η ενέργεια.

Αυτή η παρατήρηση προκάλεσε μια μικρή κρίση στη φυσική. Ο μεγάλος Δανός θεωρητικός Niels Bohr πρότεινε μάλιστα ότι η ενέργεια μπορεί να μην διατηρηθεί στην ατομική κλίμακα. Ωστόσο, το 1930, ο αυστριακός θεωρητικός Βόλφγκανγκ Πάουλι έλυσε το πρόβλημα πιο απλά. Στη βήτα διάσπαση, υπέθεσε, ότι ένα δεύτερο, αόρατο σωματίδιο αναδύεται με το ηλεκτρόνιο και διαφεύγει με ένα τυχαίο κλάσμα της ενέργειας. Το σωματίδιο έπρεπε να είναι ελαφρύ—λιγότερο από 1% της μάζας ενός πρωτονίου—και, για να αποφευχθεί η ανίχνευση, αφόρτιστο.

Τρία χρόνια αργότερα, ο Ιταλός φυσικός Ενρίκο Φέρμι ονόμασε το υποθετικό σωματίδιο νετρίνο. Θα διέφευγε την ανίχνευση για άλλα 23 χρόνια. Αλλά, αναπτύσσοντας μια πληρέστερη θεωρία της διάσπασης βήτα, ο Fermi συνειδητοποίησε αμέσως ότι το ενεργειακό φάσμα των ηλεκτρονίων έχει μια ένδειξη για μια βασική ιδιότητα του νετρίνου:τη μάζα του. Εάν το σωματίδιο είναι χωρίς μάζα, το φάσμα θα πρέπει να επεκταθεί μέχρι την ίδια ενέργεια που θα είχε το ηλεκτρόνιο εάν αναδυόταν μόνο του—που αντιστοιχεί σε διασπάσεις στις οποίες το νετρίνο αναδύεται σχεδόν χωρίς ενέργεια. Εάν το νετρίνο έχει μάζα, το φάσμα θα πρέπει να υπολείπεται του ορίου κατά ποσότητα ίση με τη μάζα. Για να ζυγίσουν το νετρίνο, οι φυσικοί έπρεπε μόνο να χαρτογραφήσουν με ακρίβεια το ανώτερο άκρο του φάσματος ηλεκτρονίων σε διάσπαση βήτα.

Ωστόσο, αυτή η μέτρηση απαιτεί εξαιρετική ακρίβεια. Για δεκαετίες, οι φυσικοί προσπάθησαν να το επιτύχουν με το τρίτιο, τον απλούστερο πυρήνα που υφίσταται βήτα διάσπαση. Το 1949, μια πρώτη μελέτη κατέληξε στο συμπέρασμα ότι το νετρίνο ζύγιζε λιγότερο από 500 ηλεκτρονιοβολτ (eV), 1/1000 της μάζας του ηλεκτρονίου. Από τότε, διαδοχικά πειράματα μειώνουν το ανώτατο όριο στο μισό περίπου κάθε 8 χρόνια, λέει ο Hamish Robertson, φυσικός KATRIN στο UW. «Υπάρχει ένα είδος νόμου του Μουρ για τη μάζα των νετρίνων», λέει, αναφερόμενος στην τάση που, για πολλά χρόνια, περιέγραφε την τακτική συρρίκνωση των τρανζίστορ σε μικροτσίπ. Το ανώτατο όριο είναι τώρα περίπου στα 2 eV—τα δύο δισεκατομμύρια της μάζας του ελαφρύτερου ατόμου—όπως ανέφεραν ανεξάρτητα το 1999 οι πειραματιστές στο Μάιντς της Γερμανίας και στο Τρόιτσκ της Ρωσίας.

Το 2001, αυτές οι ομάδες και άλλες συγκεντρώθηκαν σε ένα κάστρο ψηλά σε έναν λόφο στο χωριουδάκι Bad Liebenzell στο Μέλανα Δρυμό της Γερμανίας και αποφάσισαν να προχωρήσουν περαιτέρω, πραγματοποιώντας το οριστικό πείραμα διάσπασης βήτα τριτίου. «Αυτό ήταν το σημείο προέλευσης, η μεγάλη έκρηξη για την KATRIN», λέει ο Drexlin του KIT. Οι πειραματιστές της KATRIN ελπίζουν να μειώσουν το όριο μάζας κατά έναν παράγοντα 10, σε 0,2 eV—ή, ακόμα καλύτερα, να καταλήξουν σε μια πραγματική μέτρηση της μάζας των νετρίνων.

Για να πραγματοποιήσουν το πείραμα, οι επιστήμονες χρειάζονται μια προμήθεια τριτίου - ένα εξαιρετικά ραδιενεργό ισότοπο υδρογόνου που παράγεται σε ορισμένους πυρηνικούς αντιδραστήρες που ελέγχεται αυστηρά λόγω των πιθανών κινδύνων για την υγεία και των εφαρμογών όπλων. Η αναζήτηση τους έφερε στο KIT, το οποίο είχε ήδη μια μονάδα, μοναδική στο δυτικό ημισφαίριο, για την επεξεργασία και την ανακύκλωση τριτίου.

Με το τρίτιο στο χέρι, οι φυσικοί πρέπει στη συνέχεια να συλλέξουν τα ηλεκτρόνια βήτα που εκπέμπει χωρίς να αλλάξουν τις ενέργειές τους. Δεν μπορούν, για παράδειγμα, να βάλουν αέριο τρίτιο σε ένα δοχείο με ένα λεπτό κρυσταλλικό παράθυρο, γιατί η διέλευση ακόμη και από το πιο λεπτό παράθυρο θα εξουδετερώσει την ενέργεια των ηλεκτρονίων αρκετή για να καταστρέψει τη μέτρηση του KATRIN.

Αντίθετα, το KATRIN εξαρτάται από μια συσκευή που ονομάζεται πηγή αερίου τριτίου χωρίς παράθυρα:ένας σωλήνας ανοιχτού άκρου μήκους 10 μέτρων στον οποίο το τρίτιο εισέρχεται από μια θύρα στη μέση. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που περιβάλλουν τον σωλήνα δημιουργούν ένα πεδίο 70.000 φορές ισχυρότερο από αυτό της Γης. Τα ηλεκτρόνια βήτα διασπώνται από τη σπείρα τριτίου στο μαγνητικό πεδίο μέχρι τα άκρα του σωλήνα, όπου οι αντλίες απορροφούν τα αφόρτιστα μόρια τριτίου. Ρυθμίστε το σωστά, με όχι τόσο πολύ τρίτιο ώστε το ίδιο το αέριο να επιβραδύνει τα ηλεκτρόνια και η πηγή θα πρέπει να παράγει 100 δισεκατομμύρια ηλεκτρόνια ανά δευτερόλεπτο.

Τέλος, οι φυσικοί πρέπει να μετρήσουν τις ενέργειες των ηλεκτρονίων. Εκεί μπαίνει στο παιχνίδι ο θάλαμος κενού της KATRIN που μοιάζει με zeppelin. Εξακολουθώντας να οδηγούν τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου από την πηγή, τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στον θάλαμο από το ένα άκρο. Το μαγνητικό πεδίο, που τροφοδοτείται τώρα από χαριτωμένα στεφάνια σύρματος που περικυκλώνουν το χιτώνιο, εξασθενεί σε μόλις έξι φορές το πεδίο της Γης καθώς απλώνονται οι γραμμές πεδίου. Αυτή η εξάπλωση είναι το κλειδί, καθώς αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να κινούνται κατά μήκος των γραμμών και όχι γύρω από αυτές.

Μόλις τα ηλεκτρόνια κινηθούν προς την ίδια ακριβώς κατεύθυνση, οι φυσικοί μπορούν να μετρήσουν τις ενέργειές τους. Τα ηλεκτρόδια που επενδύουν τον θάλαμο δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που σπρώχνει τα ηλεκτρόνια που κινούνται και αντιτίθεται στην κίνησή τους. Μόνο εκείνα τα ηλεκτρόνια που έχουν αρκετή ενέργεια μπορούν να περάσουν το ηλεκτρικό πεδίο και να φτάσουν στον ανιχνευτή στο μακρινό άκρο του θαλάμου. Έτσι, μεταβάλλοντας την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου και μετρώντας τα ηλεκτρόνια που χτυπούν τον ανιχνευτή, οι φυσικοί μπορούν να εντοπίσουν το φάσμα. Οι ερευνητές της KATRIN θα επικεντρωθούν στο ανώτερο άκρο του φάσματος, την πολύ σημαντική περιοχή που έχει χαρτογραφηθεί μόνο από ένα στα 5 τρισεκατομμύρια ηλεκτρόνια από τις διασπάσεις.

Όλα πρέπει να ρυθμιστούν τέλεια. Πρόσθετα πηνία σύρματος γύρω από το φασματόμετρο πρέπει να ακυρώσουν με ακρίβεια το μαγνητικό πεδίο της Γης, διαφορετικά τα ηλεκτρόνια θα τρέξουν στο τοίχωμα του ζέπελιν. Οι ειδικές τάσεις των μυριάδων ηλεκτροδίων πρέπει να είναι σταθερές σε μέρη ανά εκατομμύριο. Το κενό μέσα στο φασματόμετρο πρέπει να διατηρείται στα 0,01 picobar, μια πίεση τόσο χαμηλή όσο στην επιφάνεια του φεγγαριού και ένα επίπεδο άνευ προηγουμένου για έναν τόσο μεγάλο θάλαμο. Και η θερμοκρασία της πηγής τριτίου πρέπει να διατηρηθεί στα 30 kelvins για να επιβραδυνθούν τα μόρια έτσι ώστε η κίνησή τους να μην επηρεάζει την ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονται.

Οι φυσικοί της KATRIN αντιμετώπισαν μερικές εκπλήξεις. Για παράδειγμα, για να αποφύγουν τα αδέσποτα μαγνητικά πεδία, είχαν το τσιμεντένιο δάπεδο κάτω από τον θάλαμο 200 μετρικών τόνων ενισχυμένο όχι με οπλισμό από συνηθισμένο χάλυβα, ο οποίος είναι μαγνητικός, αλλά με μη μαγνητικό ανοξείδωτο χάλυβα. Ωστόσο, τα μαγνητικά πεδία από τον συνηθισμένο χάλυβα στους τοίχους από σκυρόδεμα έκαναν τον όλεθρο με το φασματόμετρο, λέει η Κάθριν Βαλέριους, φυσικός στο KIT. «Έπρεπε να απομαγνητίσουμε το κτίριο», λέει, μια επίπονη διαδικασία που απαιτούσε να περάσει ένας ηλεκτρομαγνήτης πάνω από κάθε τετραγωνικό μέτρο των τοίχων.

Η επεξεργασία των στροφών χρειάστηκε περισσότερο από το αναμενόμενο, αφήνοντας το πείραμα περίπου 7 χρόνια πίσω από τα αρχικά σχέδια. Κανένα θέμα δεν την επιβράδυνε, λέει ο Johannes Blümer, επικεφαλής φυσικής και μαθηματικών του KIT. «Τα πράγματα αποδείχτηκαν πολύ πιο περίπλοκα από ό,τι πιστεύαμε αρχικά», λέει. "Όλα πρέπει να είναι τέλεια και απόλυτα σταθερά."

Η αναμονή έχει σχεδόν τελειώσει. Τον περασμένο Οκτώβριο, οι φυσικοί εκτόξευσαν ηλεκτρόνια από ένα όπλο ηλεκτρονίων μέσω του φασματόμετρου. Αυτό το καλοκαίρι, θα το βαθμονομήσουν με ένα δείγμα κρυπτόν-83, το οποίο εκπέμπει ηλεκτρόνια σταθερής ενέργειας. Αργότερα φέτος, θα συνδέσουν τα έργα τριτίου, έτοιμα για τη λήψη δεδομένων του επόμενου έτους. Σε μία μόνο εβδομάδα, το KATRIN θα πρέπει να ξεπεράσει όλα τα προηγούμενα πειράματα, λέει ο Drexlin, αλλά οι ερευνητές θα πρέπει να λάβουν δεδομένα για τουλάχιστον 5 χρόνια για να κάνουν την τελική τους μέτρηση.

Το πείραμα με νετρίνο τριτίου της Καρλσρούης (KATRIN) στη Γερμανία είναι το αποκορύφωμα μιας 70χρονης αναζήτησης για τη μέτρηση της μάζας του νετρίνου, αλλά η κατασκευή του πειράματος περιελάμβανε μια δική της οδύσσεια. Η καρδιά του πειράματος, ένας θάλαμος κενού από ανοξείδωτο χάλυβα μήκους 23 μέτρων και πλάτους σχεδόν 10 μέτρων, κατασκευάστηκε από μια εταιρεία στο Deggendorf, μόλις 400 χιλιόμετρα οδικώς από την τοποθεσία KATRIN στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καρλσρούης (KIT). Ωστόσο, χωρίς άμεση οδική διαδρομή που θα μπορούσε να χωρέσει τόσο μεγάλο φορτίο, οι επιστήμονες δεν μπορούσαν να φέρουν το μωρό τους κατευθείαν στο σπίτι.

Αντίθετα, τον Σεπτέμβριο του 2006 η συσκευή των 200 μετρικών τόνων ξεκίνησε ένα πολύ μεγαλύτερο ταξίδι, κατεβάζοντας πρώτα τον ποταμό Δούναβη προς τη Μαύρη Θάλασσα. Από εκεί ένα πλοίο το μετέφερε μέσω του Αιγαίου και της Μεσογείου, στις ακτές του Ατλαντικού της Ευρώπης και στον ποταμό Ρήνο. Τελικά, μετά από 2 μήνες, βγήκε στη στεριά στο Leopoldshafen, ένα χωριό 7 χιλιόμετρα βόρεια του KIT, όπου ένα ειδικό φορτηγό το πέρασε μέσα από το κέντρο της πόλης, σε μια στιγμή με μόλις 5 εκατοστά να απομένουν. Το ταξίδι των 8800 χιλιομέτρων κόστισε 600.000 ευρώ, λέει ο Thomas Thuemmler, φυσικός στο KIT, και «τα τελευταία 7 χιλιόμετρα κόστισαν όσο όλα τα προηγούμενα στάδια».

Παράλειψη προβολής διαφανειών ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΚΑΡΛΣΡΟΥΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΚΑΡΛΣΡΟΥΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΚΑΡΛΣΡΟΥΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΚΑΡΛΣΡΟΥΗ / OF

Οι φυσικοί γνωρίζουν ήδη ότι τα νετρίνα έχουν κάποια μάζα. Για δεκαετίες, γνώριζαν ότι τα νετρίνα έρχονται σε τρεις τύπους ή «γεύσεις»—ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ—ανάλογα με τις αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων στις οποίες γεννιούνται. Το 1998, οι πειραματιστές με το Super-Kamiokande, έναν τεράστιο υπόγειο ανιχνευτή νετρίνων στη δυτική Ιαπωνία, απέδειξαν ότι τα νετρίνα μιονίων που δημιουργούνται όταν οι κοσμικές ακτίνες χτυπούν μόρια στην ατμόσφαιρα θα μπορούσαν να αλλάξουν γεύση καθώς περνούσαν με φερμουάρ μέσω της Γης στον ανιχνευτή.

Αυτή η αλλαγή γεύσης δείχνει ότι τα νετρίνα δεν μπορούν να είναι χωρίς μάζα. Διαφορετικά, σύμφωνα με τη σχετικότητα, θα έπρεπε να ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός, όπως τα φωτόνια. Σε αυτή την περίπτωση, ο χρόνος για αυτούς θα σταματούσε, καθιστώντας αδύνατη την αλλαγή. Αλλά αυτή η αλλαγή γεύσης εξαρτάται από τις διαφορές στις μάζες των τριών νετρίνων και όχι από τις ακριβείς τιμές. Έτσι, παρόλο που οι φυσικοί έχουν μελετήσει το φαινόμενο λεπτομερώς, μπορούν να πουν μόνο ότι ένας από τους τύπους νετρίνων πρέπει να έχει μάζα τουλάχιστον 0,05 eV. Και δεν ξέρουν ποιος τύπος είναι βαρύτερος ή ελαφρύτερος.

Η KATRIN μπορεί να μην είναι αρκετά ευαίσθητη για να δώσει μια απάντηση, δείχνουν τα αποτελέσματα της κοσμολογίας. Η μεγάλη έκρηξη δημιούργησε μια θάλασσα από νετρίνα που διαμόρφωσαν την εξέλιξη των κοσμικών δομών, επιβραδύνοντας τον σχηματισμό γαλαξιών και σμηνών γαλαξιών. Μελετώντας το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, που εκπέμπεται όταν η ύλη στο νεογέννητο σύμπαν μόλις άρχιζε να συσσωρεύεται και την κατανομή των γαλαξιών, οι κοσμολόγοι συμπέραναν ότι το άθροισμα των μαζών και των τριών τύπων νετρίνων είναι μικρότερο από 0,2 eV, ακριβώς στο όριο ευαισθησίας του KATRIN. Αν ναι, το νετρίνο του ηλεκτρονίου από μόνο του—το είδος που εκπέμπεται από τη διάσπαση βήτα—είναι πιθανό να είναι υπερβολικό βάρος για το KATRIN.

Αυτή η εκτίμηση συνοδεύεται από μια προειδοποίηση:Εξαρτάται από την εγκυρότητα του καθιερωμένου μοντέλου των κοσμολόγων, το οποίο υποθέτει ότι το σύμπαν περιέχει συνηθισμένη ύλη, μυστηριώδη «σκοτεινή ύλη» που αλληλεπιδρά μόνο μέσω της βαρύτητας και περίεργη «σκοτεινή ενέργεια» που εκτείνεται στο διάστημα. επιβραδύνει επίσης το σχηματισμό σμήνων γαλαξιών. Έτσι, γυρίζοντας τα πράγματα, μετρώντας τη μάζα των νετρίνων, οι φυσικοί της KATRIN μπορούν να δοκιμάσουν αυτό το μοντέλο, ιδιαίτερα τις υποθέσεις του για τη σκοτεινή ενέργεια, λέει ο Kevork Abazajian, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine. «Αν βρουν κάτι που δεν συμφωνεί με αυτό που βρίσκεται στην κοσμολογία, λένε ότι κάτι έχει σπάσει στην κοσμολογία», λέει. "Αυτό θα ήταν βαθύ."

Και αν το νετρίνο αποδειχθεί πολύ ελαφρύ για να το μετρήσει το KATRIN; Οι φυσικοί οραματίζονται μια αναβάθμιση για την ενίσχυση της ευαισθησίας του πειράματος στα 0,1 eV. Πέρα από αυτό, θα έπρεπε να αντικαταστήσουν το συνηθισμένο αέριο τρίτιο, το οποίο σχηματίζει διατομικά μόρια, με ατομικό τρίτιο, λέει ο Drexlin, επειδή η διάσπαση των μορίων όταν το τρίτιο βήτα διασπάται δημιουργεί τη μεγαλύτερη αβεβαιότητα στις ενέργειες των ηλεκτρονίων. Αλλά μια τέτοια ατομική πηγή δεν υπάρχει ακόμα και θα ήταν μια μεγάλη πρόκληση να εφευρεθεί.

Άλλοι διερευνούν ακόμη πιο ριζοσπαστικές προσεγγίσεις. Στο UW, ο Robertson δοκιμάζει έναν διαφορετικό τρόπο μέτρησης της ενέργειας των ηλεκτρονίων από τη διάσπαση βήτα. Όταν ένα ηλεκτρόνιο κάνει κύκλους σε ένα μαγνητικό πεδίο ακτινοβολεί ενέργεια—όπως η ακτινοβολία σύγχροτρον ακτίνων Χ που χρησιμοποιούν οι επιστήμονες σε πηγές φωτός επιταχυντών σε όλο τον κόσμο. Στο KATRIN, τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ χαμηλότερη ενέργεια, επομένως ακτινοβολούν ραδιοκύματα—αν και δεν είναι αρκετά για να χαλάσουν τις ενεργειακές μετρήσεις του KATRIN.

Η συχνότητα αυτών των ραδιοκυμάτων αντιστοιχεί στην ενέργεια ενός ηλεκτρονίου, ένα σήμα που ο Robertson και οι συνεργάτες του σχεδιάζουν να εκμεταλλευτούν. Σε αυτό που αποκαλούν Project-8, έχουν κατασκευάσει έναν θάλαμο μεγέθους μικρογραφίας που μπορεί να μετρήσει την ακτινοβολία από ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Ελπίζουν να το κλιμακώσουν για να μετρήσουν τις ραδιοεκπομπές δισεκατομμυρίων ηλεκτρονίων ταυτόχρονα. Αυτό θα απαιτούσε έναν θάλαμο 200 κυβικών μέτρων με μια σειρά από μικρές κεραίες ραδιοφώνου.

Άλλοι ελπίζουν να ξεδιπλώσουν τη μάζα του νετρίνου μελετώντας τους πυρήνες του ολμίου-163, ενός συνθετικού ραδιοϊσοτόπου, που δημιουργήθηκε με επιταχυντές σωματιδίων, που υφίσταται μια διαδικασία σχεδόν αντίθετη από τη διάσπαση βήτα που ονομάζεται σύλληψη ηλεκτρονίων. Σε αυτό, ο πυρήνας καταβροχθίζει ένα από τα ηλεκτρόνια του ίδιου του ατόμου ενώ φτύνει ένα νετρίνο. Συγκεντρώνοντας όλη τη θερμότητα και την άλλη ενέργεια από τέτοιες συλλήψεις και αναζητώντας ένα μικρό έλλειμμα στο τέλος του φάσματος του, οι φυσικοί θα πρέπει να είναι σε θέση να συμπεράνουν τη μάζα του νετρίνου, όπως ακριβώς σε ένα πείραμα τριτίου.

Αυτός είναι ο στόχος του πειράματος Electron Capture on Holmium (ECHO) στο Πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης στη Γερμανία, το οποίο ενσωματώνει άτομα ολμίου σε μικροσκοπικά «θερμιδομετρικά» χρυσού. Οι πειραματιστές έχουν φτιάξει συστοιχίες εργασίας από δεκάδες ανιχνευτές, λέει η Loredana Gastaldo, φυσικός ECHO. Για να παράγουμε αρκετές διασπάσεις για να μετρήσουμε τη μάζα των νετρίνων, λέει, "πρέπει να πάμε από 100 ανιχνευτές σε 100.000 ανιχνευτές."

Εάν το KATRIN υστερεί σε μια οριστική μέτρηση και καμία από τις νέες προσεγγίσεις δεν είναι έξω, τότε η απευθείας ζύγιση του νετρίνου θα μπορούσε να παραμείνει ένας απρόσιτος στόχος. Οι φυσικοί μπορεί να χρειαστεί να αρκεστούν στις έμμεσες και αβέβαιες μαζικές εκτιμήσεις που προέρχονται από τους ουρανούς. Και το ντροπαλό και αποσυρόμενο σωματίδιο θα έχει διατηρήσει το σάβανο μυστηρίου του για άλλη μια φορά.