KATRIN обмежує масу нейтрино кінематичним методом

Дирекція фундаментальних досліджень

  • ІРФУ КРОЛЬКИЙ Огляд Основні цифри-->
  • 1100 працівників
  • 150 аспірантів та докторантів
  • 7 науково-технологічних відділів
  • Галузі: Астрофізика | Фізика частинок | Ядерна фізика
  • Експертиза, НДДКР: Прилади | Детектори | Прискорювачі
  • DACM
  • DAP
  • ДЕДІП
  • Дис
  • DPHN
  • DPHP
  • ГАНІЛЬ
  • НОВИНИ КОРМУЮТЬ Ірфу в центрі уваги-->
  • Знайдіть останні новини від Ірфу.
  • Дивіться поточні події.
  • Слідкуйте за Ірфу в пресі.
  • ПРАЦІВНОСТІ Ірфу контракти-->
  • Перегляньте теми дипломних робіт, докторантури чи пропозиції про стажування на всіх рівнях
  • Зверніться до пропозицій про роботу
  • Подивіться дії мережі Irfusians
  • ПУБЛІКАЦІЇ
  • Доступ до тез, HDRS та публікацій
  • Перегляньте журнал та книги, написані співавторами авторів Ірфу
  • МУЛЬТИМЕДІЇ Освітній зміст-->
  • Перегляньте курси, які пропонують викладачі Ірфу
  • Доступ до відео
  • Зверніться до медіатеки та нашої діяльності

масу

Гігантський спектрометр KATRIN, довжиною 24 м і діаметром 10 м, поставлений в KIT у 2006 році (кредит KIT)

Маючи дуже малу масу, нейтрино відіграють ключову роль у фізиці частинок і космології. Напруга на їх масі щойно була покращена експериментом KATRIN. Перша 4-тижнева кампанія збору наукових даних, навесні 2019 року, тепер змушує масу нейтрино менше ніж 1,1 електрон-вольт. Це найкращий незалежний показник будь-якої моделі, що забезпечує двократне покращення порівняно з попередніми експериментальними результатами. Напруга навіть нижча, ніж напруга, отримана в результаті космологічних вимірювань загальної маси 3 ароматичних речовин нейтрино, що заграє зі ста мільйонами еВ (меВ). Але KATRIN продовжуватиме отримувати більше даних протягом наступних 5 років і повинен досягти чутливості до маси електронного нейтрино, близької до 200 меВ. Високий потенціал цього експерименту полягає в його точності та в тому, що це вимірювання не залежить від будь-якої теоретичної моделі, на відміну від вимірювань за допомогою космологічних спостережень. Дійсно, він заснований на збереженні енергії та вимірюванні відомого експерименту - бета-розпаду.

Таємниця маси нейтрино

Нейтрино відіграють ключову роль у фізиці частинок і космології. Крім фотонів, основних квантів світла, нейтрино є найпоширенішими елементарними частинками у Всесвіті. На кожен електрон, протон і нейтрон у Всесвіті існує 1 000 000 000 нейтрино, і ці частинки, які є настільки легкими і взаємодіють так рідко, все ще впливають на еволюцію раннього Всесвіту. У масштабі елементарних частинок їх дуже низька маса порядку мілі-еВ (10 -3 еВ), у мільярд разів менша за МеВ (10 6 еВ) інших елементарних частинок, свідчить, можливо, про існування нової фізики виходить за рамки Стандартної моделі фізики частинок. Знайти вікно до нової фізики нескінченно малого, що виходить за межі нинішньої Стандартної моделі, і донести шматочок головоломки до первинного утворення нашого Всесвіту - захоплюючі завдання вимірювання маси нейтрино.

Огляд установки KATRIN довжиною 70 м з основними компонентами, зліва направо: джерело газу тритію, насосна секція, електростатичні спектрометри та електронний детектор. (Кредит KIT)

Форма кінця енергетичного спектру електронів, випромінюваних під час кожного з бета-розпадів, чутлива до маси нейтрино.

Кінематичний метод вимірювання маси електронного нейтрино

Вимірювання KATRIN використовує фундаментальний принцип, відомий дуже довго: в процесі бета-розпаду електрон і нейтрино статистично ділять наявну енергію (18,6 кэВ для тритію). У надзвичайно рідкісних випадках електрон фактично отримує всю енергію розпаду, тоді як нейтрино набуває лише мінімальну кількість, що відповідає його масі в стані спокою. Отже, форма електронного спектру близько 18,6 кэВ залежить від маси нейтрино.

Експериментальна складність походить від статистики, оскільки лише один розпад тритію на мільярд є цікавим для вимірювання маси нейтрино. Для накопичення низки подій і, отже, послідовної статистики, експеримент KATRIN використовує найбільш інтенсивне джерело тритію, доступне науковому співтовариству. "Бета-розпад тритію, а також реакція всього приладу повинні бути змодельовані з точністю менше одного відсотка", - пояснює Тьєррі Лассер, фізик з відділу фізики частинок в Ірфу. " З KATRIN пряме вимірювання маси нейтрино потрапило в область фізики високої точності ".

Перша вимірювальна кампанія

Навесні 2019 року команда з 150 чоловік провела свою першу вимірювальну кампанію. З цією метою молекулярний газ тритію циркулював протягом чотирьох тижнів, генеруючи 25 мільярдів електронів в секунду у джерелі. Для цього аналізу команди KATRIN шукали відбиток масивного нейтрино із спектру, що включає більше 2 мільйонів електронів, вибраних вручну за допомогою гігантського електростатичного спектрометра, що прилягає до джерела.

Як зазвичай у сучасних точних експериментах, життєво важлива інформація, необхідна для завершення аналізу, була навмисно затримана до останнього моменту. Для координації своїх останніх кроків аналітична група, яку координував Тьєррі Лассер (CEA-Irfu), зустрілася цього літа на тижневому семінарі в KIT. "Ближче до кінця вечора 18 липня обробка систематичних невизначеностей була заблокована: остання інформація, необхідна для остаточного аналізу всіх даних, могла нарешті бути виявлена! Після останніх годин обчислення аналіз n не призвів до вимірювання значної маси нейтрино ".

Зведена діаграма квадратних значень маси нейтрино, отриманих від розпаду бета-тритію за період 1990-2019 рр., Порівняно з роком реалізації. Результати останніх експериментів в Майнці та Троїцьку особливо порівнюються з новими результатами KATRIN KNM1: загальна невизначеність зменшується в 3 рази (кредит KATRIN Collaboration

Ці перші результати зменшують шкалу абсолютних мас нейтрино до значення менше 1,1 електрон-вольт (еВ). Вони були представлені 13 вересня на конференції TAUP 2019 у Тоямі (Японія) та подані до наукового журналу (Phys Rev Letters) для публікації.

Ця початкова кампанія вимірювань фактично відповідає 5 еквівалентним дням даних KATRIN, коли вона буде працювати на повну потужність. Порівняно з попереднім подібним досвідом, статистична похибка зменшується в 2 рази, а систематична похибка - у 6 разів. Використання повного потенціалу приладу та вдосконалення аналізу дозволять спільно заощадити зменшення їх на інший порядок. Збір даних із остаточним налаштуванням експерименту розпочнеться найближчими днями з метою досягнення чутливості близько 0,2 еВ протягом наступних п’яти років.

Зв'язок

Попередня новина:

16.09.2019: "Нейтрино," легка вага "частинок, зможе розраховувати на новий високоточний баланс KATRIN

08.07.2019: "CEA та KIT підписують відновлення угоди про науково-технічне співробітництво"

10.04.2018: "Перша ін’єкція тритію в експерименті KATRIN"

Відео KIT (Карлсруерський інститут технологій)

Внески Ірфу:

У CEA-Irfu Тьєррі Лассер має координував цей аналіз для всієї співпраці KATRIN, встановлення інноваційної стратегії та суворого протоколу, щоб уникнути будь-яких упереджень людини на користь значення маси нейтрино. Спільно з Інститутом Макса-Планка в Мюнхені CEA-Irfu також розробив новий ланцюжок незалежного аналізу, використовуючи підхід матриці коваріації для вивчення, виявлення та поширення систематичних невизначеностей та їх кореляцій. Цей аналіз успішно пройшов усі етапи перевірки аж до вимірювання маси нейтрино.

Готьє ХАМЕЛ де МОНШЕНО, керівник відділу фізики елементарних частинок в Ірфу "Обмеження маси нейтрино, отримане в результаті експерименту Катріна, з вирішальним внеском нашого співробітника Тьєрі Лассер та його команди, є експериментальним подвигом цього чудового результату, незалежного моделей значно покращує попередні прямі обмеження та чудово доповнює межі, отримані на основі космологічних спостережень, а також вимірювання коливань смаку нейтрино, до яких пов'язані дослідники нашого відділу ".

З технічної сторони, координатори роботи інженерів з відділу магнітів та прискорювачів Ірфу створення нової системи активного захисту магнітів надпровідники джерела тритію у співпраці з KIT.

Філіп Фазілльо, інженер лабораторії надпровідних магнітів, згадує:

«Оригінальний захисний захист надпровідних магнітів WGTS був пасивним і дуже ризикованим. У співпраці з KIT було розроблено новий активний захист, заснований на навичках та розробках CEA у цій галузі. Після повного підтвердження розрахунками випробування на загартування, проведені в Saclay, продемонстрували належне функціонування захисту та цілісність магнітів як термічно, так і механічно. "

Частина провідника котушки може ненавмисно перейти із надпровідного стану у "нормальний" (або резистивний) стан. Потім виникає опір, що викликає нагрівання за допомогою ефекту Джоуля. Це явище називається переходом у "нормальний" стан, на відміну від надпровідного. Англійською, а також вільно французькою мовами перехід називається "гасіння". Локалізоване і значне нагрівання провідника може швидко призвести до його руйнування або непоправної шкоди певним матеріалам. Для забезпечення цього переходу існує "Система безпеки магніту" MSS.

Вертикальна станція, глибиною 8 м, дозволила випробувати магніти дублетами у ванні з рідким гелієм при 4,2 К.