은빛 진공 청소물은 한 번 미래적이고 구식과 구식을 바라 보는 스테인레스 스틸 패널 사이의 용접의 모호한 아르 데코 라인 인 Zeppelin과 비슷합니다. Hindenburg의 10 분의 1 크기 - 그러나 여전히 푸른 고래만큼 큰 - 그릇은 Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 격납고 같은 건물에 있습니다. 챔버는 지구에 있지만, 챔버는 미묘한 목적을 가지고 있습니다. 아 원자 입자의 가장 애매하고 신비한 중성미자의 무게를 측정합니다.
물리학 자들은 2001 년에 Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) 실험을 꿈꾸 었습니다. 이제 6 천만 유로의 프로젝트가 마침내 함께 모이고 카트린 연구원들은 내년 초에 데이터를 가져갈 계획입니다. Kit의 물리학 자 이자이 프로젝트에서 일하는 약 140 명의 연구원의 공동 대변인 인 Guido Drexlin은“이것은 실제로 마지막 카운트 다운입니다.
우주에 다른 유형의 물질 입자보다 더 많은 것을 포함한다는 점을 감안할 때 물리학자가 중성미자의 무게를 얼마나 많이 알지 못하는 것은 터무니없는 것처럼 보일 수 있습니다. 우주의 모든 입방 센티미터는 평균 약 350 개의 원시 중성미자가 빅뱅에서 남아 있으며, 매 순간마다 태양은 우리 각자를 통해 수조 에너지 중성미자를 스트리밍합니다. 그러나 입자가 물질과 상호 작용하기 때문에 아무도 눈치 채지 못합니다. 그들 중 일부를 발견하려면 많은 톤의 검출기가 필요합니다. 중성미자의 무게를 측정하는 간단한 방법은 없습니다.
대신, 지난 70 년 동안 물리학 자들은 입자가 나오는 특정 핵 붕괴, 즉 삼중 수의 베타 부패를 연구함으로써 중성미자의 질량을 유추하려고 노력했다. 몇 번이고,이 실험은 중성미자의 질량에 대한 상한을 설정했습니다. 카트 린은 물리학 자의 마지막으로, 적어도 혁신적인 신기술없이 그것을 측정하고자하는 최선의 희망 일 수 있습니다. 시애틀에있는 워싱턴 대학교 (UW)의 물리학 자이자 카트 린 (Katrin) 회원 인 피터도 (Peter Doe)는“이것은 도로의 끝이다.
카트 린 물리학 자들은 그들이 성공할 것이라고 보장하지 않습니다. 우주에서 중성미자를 발견하는 거대한 지하 탐지기와 같은 매우 다른 종류의 실험에서, 이제 중성미자는 질량이 없다는 것을 알고 있습니다. 그러나 최근 몇 년 동안, 가장 큰 규모의 우주의 맵 (Maps of Cosmos)은 중성미자가 카트린이 파악하기에는 너무 가벼울 수 있다고 주장합니다. 그럼에도 불구하고 우주 학자들조차도 실험이 가치가 있다고 말합니다. 중성미자 덩어리가 카트린을 피하는 경우, 현재 우주에 대한 그들의 이해는 또 다른 시험을 통과했을 것입니다.
카트린이 무언가를 찾으면 우주 학자들이 머리를 긁어 내고‘우리가 어디로 갔습니까?’
- Barcelona 대학교 Licia Verde
반면에 결정적인 측정은 잠재적으로 혁명적 일 것입니다. 스페인 바르셀로나 대학교의 우주 학자 인 Licia Verde는“카트린이 무언가를 발견한다면, 우주 학자들은 머리를 긁어 내고 '우리가 어디로 갔습니까?' "
라고 말할 것입니다.중성미자는 처음으로 결석을 통해 그들의 존재를 배신했습니다. 1914 년, 영국의 물리학 자 제임스 채드윅 (James Chadwick)은 베타 붕괴를 연구하고 있었는데, 이는 핵이 전자를 방출하여 중성자를 양성자로 변형시키는 방사성 붕괴의 형태입니다. 에너지 보존은 특정 핵으로부터의 전자 (LEAD-214)가 항상 같은 에너지로 나타나야한다고 제안했다. 대신, Chadwick은 에너지가 사라지는 것처럼 다양한 에너지가 0으로 연장되는 것으로 나타났습니다.
그 관찰은 물리학에서 경미한 위기를 일으켰습니다. 위대한 덴마크 이론가 Niels Bohr는 에너지가 원자 규모로 보존되지 않을 수 있다고 제안했습니다. 그러나 1930 년에 오스트리아 이론가 볼프강 바울리 (Wolfgang Pauli)는 문제를 더 간단하게 해결했다. 베타 붕괴에서, 그는 무작위로 에너지 분획으로 전자와 아웃소 폰트와 함께 두 번째로 보이지 않는 입자가 나타났다고 추측한다. 입자는 양성자 질량의 1%보다 가볍고 검출을 피하기 위해 가볍지 않아야했습니다.
3 년 후, 이탈리아 물리학자인 Enrico Fermi는 가상 입자를 중성미자라고 불렀습니다. 23 년 동안 탐지를 피할 것입니다. 그러나 Fermi는 베타 붕괴에 대한 완전한 이론을 개발할 때 전자의 에너지 스펙트럼이 중성미자의 주요 특성에 대한 단서를 보유하고 있음을 즉시 깨달았습니다. 입자가 질량이 없다면, 스펙트럼은 전자가 단독으로 나타나면 전자가 가질 수있는 동일한 에너지까지 확장되어야한다. 중성미자가 질량을 갖는 경우, 스펙트럼은 질량과 동일한 금액만으로 한계에 미치지 않아야합니다. 중성미자의 무게를 측정하기 위해 물리학 자들은 전자 스펙트럼의 상단을 베타 붕괴로 정확하게 매핑해야했습니다.
그러나 이러한 측정에는 절묘한 정밀도가 필요합니다. 수십 년 동안 물리학 자들은 베타 부패를 겪는 가장 간단한 핵으로 삼상으로 달성하기 위해 노력해 왔습니다. 1949 년에 첫 번째 연구에 따르면 중성미자의 무게는 500 전자 볼트 (EV), 1/1000 전자의 질량을 기록했다. UW의 카트 린 물리학자인 하미쉬 로버트슨 (Hamish Robertson)은 그 이후로 연속 실험은 대략 8 년마다 상한을 절반으로 줄 였다고 말했다. "중성미자 덩어리에 대한 무어의 법칙이있다"고 그는 수년 동안 마이크로 칩에서 트랜지스터의 규칙적인 수축을 묘사 한 추세를 언급했다. 상한은 현재 독일 마인츠의 실험 자와 러시아의 트로이츠 (Troitsk)로서 1999 년에 독립적으로보고 된 약 2 eV-가장 가벼운 원자의 질량을 약 2 eV이다.
.2001 년 에이 팀과 다른 팀은 독일의 검은 숲에있는 Bad Liebenzell의 마을에있는 언덕에있는성에있는성에 모여서 결정적인 삼중 수소 베타 붕괴 실험을 장착하여 더 밀기로 결정했습니다. Kit의 Drexlin은 "이것이 원산지의 빅뱅 (Big Bang)은 원산지의 빅뱅이었다"고 말했다. 카트 린 실험자들은 질량 한계를 10 배, 0.2 eV로 낮추기를 희망합니다.
실험을 수행하기 위해 과학자들은 잠재적 인 건강 위험과 무기 응용으로 인해 엄격하게 조절되는 특정 원자로에서 생성 된 고도로 방사능의 수소 동위 원소의 삼중습 공급이 필요합니다. 이를 검색하면 서반구에서 독특한 시설이있는 키트로 가져 왔습니다.
Tritium을 손에 들고 물리학 자들은 에너지를 변경하지 않고 방출되는 베타 전자를 수집해야합니다. 예를 들어, 가장 얇은 창을 통과하면 전자의 에너지가 카트린의 측정을 망칠 수있을 정도로 전자의 에너지를 수집 할 수 있기 때문에 트리튬 가스를 얇은 결정 창으로 용기에 넣을 수는 없습니다.
.대신, Katrin은 창이없는 기체 삼중습 소스 :10 미터 길이의 개방형 파이프가 중간의 항구에서 들어가는 개방형 파이프에 의존합니다. 파이프를 둘러싼 초전도 자석은 지구보다 70,000 배의 필드를 생성합니다. 베타 베타는 자기장의 삼중 수소 나선에서 파이프의 끝으로 전자를 붕괴시켜 펌프가 하전되지 않은 삼중 수 분자를 빨아들입니다. 가스 자체가 전자를 느리게 할 정도로 삼중습이 없어서 올바르게 설정하고 소스는 초당 1,000 억 전자를 생산해야합니다.
.마지막으로, 물리학자는 전자의 에너지를 측정해야합니다. 그곳에서 카트린의 제플린 같은 진공 챔버가 시작되는 곳입니다. 소스에서 자기장 라인을 계속 타고 전자는 한쪽 끝에서 챔버로 들어갑니다. 블림을 둘러싸고있는 우아한 와이어의 후프에 의해 제공되는 자기장은 필드 라인이 퍼지면서 지구의 필드에 불과한 지구의 필드로 약해집니다. 전자가 선을 따라 움직이지 않고 주변이 아닌 전자가 강제로 확산되는 것은 핵심입니다.
전자가 정확히 같은 방향으로 움직이면 물리학자는 에너지를 측정 할 수 있습니다. 챔버를 감싸는 전극은 전기장을 생성하는 전자를 생성하고 동작에 반대합니다. 에너지가 충분한 전자만이 전기장을 지나서 챔버의 맨 끝에있는 탐지기에 도달 할 수 있습니다. 따라서 전기장의 강도를 변경하고 탐지기에 부딪히는 전자를 계산함으로써 물리학자는 스펙트럼을 추적 할 수 있습니다. 카트린 연구원들은 스펙트럼의 상단에 집중할 것이며, 붕괴에서 5 조 전자마다 단 하나의 중요한 지역은 단지 맵핑 될 것입니다.
모든 것이 완벽하게 조정되어야합니다. 분광계 주변의 추가 와이어 코일은 지구의 자기장을 정확하게 취소해야합니다. 그렇지 않으면 전자가 Zeppelin의 벽으로 흘러 들어갑니다. 무수한 전극의 특정 전압은 백만 분당 부분에 안정되어야합니다. 분광계 내의 진공은 0.01 피코 바로 고정되어 있어야하며, 달 표면의 낮은 압력, 그러한 큰 챔버의 경우 전례없는 수준입니다. 그리고 삼중습 공급원의 온도는 분자를 늦추기 위해 냉담한 30 켈빈으로 유지되어야합니다.
카트린 물리학 자들은 약간의 놀라운 놀라움을 겪었습니다. 예를 들어, 길 잃은 자기장을 피하기 위해, 그들은 콘크리트 바닥이 200 메트릭 톤 챔버 아래에 있었는데, 이는 자성이지만 비수성 스테인레스 스틸로 보통 강철의 철근이 아닌 강화되었습니다. Kit의 물리학자인 Kathrin Valerius는 콘크리트 벽의 일반 강철의 자기장이 분광계와 혼란을 일으켰다 고 말합니다. 그녀는 "우리는 건물을 demagnet해야했다"고 말했다.
Kinks를 운동하는 데 예상보다 오래 걸렸으며, 실험은 대략 7 년 동안 원래 계획보다 뒤떨어졌습니다. 키트의 물리 및 수학 책임자 인 요하네스 블루머 (Johannes Blümer)는 한 가지 문제가 느려지지 않았다고 말했다. "사물은 처음에 생각했던 것보다 훨씬 더 복잡한 것으로 판명되었습니다."라고 그는 말합니다. "모든 것이 완벽하고 완벽하게 안정적이어야합니다."
대기는 거의 끝났습니다. 지난 10 월, 물리학 자들은 분광계를 통해 전자 건에서 전자를 발사했습니다. 올 여름, 그들은 고정 에너지의 전자를 방출하는 크립톤 -83 샘플로 그것을 교정 할 것입니다. 올해 말, 그들은 내년의 데이터를 준비 할 준비가 된 삼중 수 작품을 연결할 것입니다. Katrin은 1 주일 동안 이전의 모든 실험을 능가해야한다고 Drexlin은 말합니다. 그러나 연구원들은 여전히 최소 5 년 동안 궁극적 인 측정을 위해 데이터를 가져와야한다고 말합니다.
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독일의 Karlsruhe Tritium Neutrino (Katrin) 실험은 중성미자의 질량을 측정하기위한 70 세의 퀘스트의 정점이지만 실험의 구성에는 그 자체의 오디세이가 포함되었습니다. 길이 23 미터와 거의 10 미터 너비의 스테인레스 스틸 진공 챔버 인 실험의 중심부는 Karlsruhe Institute of Technology (KIT)의 Katrin 사이트에서 400km 떨어진 Deggendorf의 회사에 의해 제작되었습니다. 그러나 그러한 큰 짐을 수용 할 수있는 직접 도로 경로가 없으면 과학자들은 아기를 똑바로 집으로 데려 올 수 없었습니다.
대신, 2006 년 9 월에 200 메트로 톤 장치는 훨씬 더 긴 여행을 시작하여 처음으로 다뉴브 강을 내려가 흑해로 항해했습니다. 그곳에서 배는에게 해와 지중해 바다, 유럽 대서양 연안 및 라인 강을 통해 배를 운반했습니다. 마지막으로, 2 개월 후, 그것은 키트에서 북쪽으로 7km 떨어진 마을 인 Leopoldshafen에서 해변으로 왔는데, 그곳에서 특별한 트럭이 마을 중심을 통해 5 센티미터를 남기기 위해 마을 중심을 통해 등장했습니다. 키트의 물리학자인 Thomas Thuemmler는 8800 킬로미터의 여정 비용이 60 만 유로이며, "지난 7km는 이전 단계보다 비용이 많이 든다"고 말했다. Skip Slideshow Karlsruhe 기술 연구소 Karlsruhe Institute of Karlsruhe Karlsruhe Institute of Karlsruhe Institute of Technology Karlsruhe Institute of Technology
물리학 자들은 이미 중성미자에게는 질량이 있다는 것을 알고 있습니다. 그들은 수십 년 동안 중성미자가 태어난 입자 상호 작용에 대해 세 가지 유형 또는 "전자, 뮤온 및 타우 (tau)로 온다는 것을 알고 있습니다. 1998 년, 서부 서부의 거대한 지하 중성미자 탐지기 인 Super-Kamiokande의 실험자들은 대기의 우주 광선이 지구를 통해 감지기로 향했을 때 맛을 바꿀 수 있었을 때 Muon Neutrinos가 생성 된 Muon Neutrinos를 증명했습니다.
.이러한 맛 변화는 중성미자가 질량이 없을 수 없다는 것을 보여줍니다. 그렇지 않으면, 상대성에 따르면, 그들은 광자처럼 빛의 속도로 여행해야합니다. 이 경우, 그들에게는 시간이 여전히 서서 변화를 불가능하게 만들 것입니다. 그러나 이러한 풍미 변화는 정확한 값이 아니라 3 개의 중성미자 덩어리의 차이에 달려 있습니다. 따라서 물리학자가 현상을 자세히 연구했지만 중성미자 유형 중 하나는 최소 0.05 eV의 질량을 가져야한다고 말할 수 있습니다. 그리고 그들은 어떤 유형이 가장 무겁거나 가장 가벼운 지 모릅니다.
카트 린은 대답을 제공하기에 충분히 민감하지 않을 수 있다고 우주론의 결과를 얻었습니다. 빅뱅 (Big Bang)은 우주 구조의 진화를 형성하여 은하와 은하 클러스터의 형성을 늦추는 중성미자 바다를 만들었습니다. 우주 전자 레인지 배경을 연구함으로써 신생아 우주의 물질이 막 뭉개지기 시작했을 때 방출함으로써, 우주 학자들은 세 가지 유형의 중성미자의 질량의 합이 카트린의 민감도의 한계에 따라 0.2 eV 미만이라고 추론했다. 그렇다면 전자 중성미자 만 베타 붕괴로 방출 한 종류는 카트 린에게 너무 많은 페더급 일 것입니다.
그 추정치는 경고와 함께 제공됩니다. 우주에는 우주에 우주가 중력을 통해서만 상호 작용하는 신비한 "어두운 물질"이 포함되어 있다고 가정하는 우주 학자 표준 모델의 타당성에 달려 있습니다. 캘리포니아 대학교 (University of California) 어바인 (Irvine)의 우주 학자 인 케보크 아바자 지안 (Kevork Abazajian)은 중성미자 질량을 측정함으로써 카트 린 물리학 자들은 그 모델, 특히 암흑 에너지에 대한 가정을 테스트 할 수 있다고 말했다. "그들이 우주론에서 발견 된 것과 일치하지 않는 것을 발견하면 우주론에서 무언가가 깨 졌다고 말하고있다"고 그는 말했다. "그것은 심오 할 것입니다."
그리고 중성미자가 카트린이 측정하기에는 너무 가벼워지면? 물리학 자들은 실험의 감도를 0.1 eV로 향상시키기 위해 업그레이드를 구상합니다. 그 외에도, 그들은 삼중 수소 베타가 붕괴 될 때 분자의 분할이 전자 에너지에서 가장 큰 불확실성을 생성하기 때문에 규조토 분자를 원자 삼중막으로 형성하는 일반 삼중 수소를 대체해야한다고 Drexlin은 말합니다. 그러나 그러한 원자 소스는 아직 존재하지 않으며 발명하기위한 주요 도전이 될 것입니다.
다른 사람들은 훨씬 더 급진적 인 접근법을 탐구하고 있습니다. UW에서 Robertson은 베타 붕괴로부터 전자의 에너지를 측정하는 다른 방법을 테스트하고 있습니다. 자기장의 전자 서클이되면 과학자들이 가속기 광원에서 사용하는 X- 선 싱크로트론 방사선과 같은 에너지를 방출합니다. 카트 린에서 전자는 훨씬 낮은 에너지이므로 카트린의 에너지 측정을 망칠만큼 충분하지 않지만 무선 파를 방출합니다.
이러한 무선 파의 빈도는 전자의 에너지, Robertson과 그의 동료들이 이용할 계획이라는 신호에 해당합니다. 그들이 Project-8이라고 부르는 것에서, 그들은 단일 전자에서 방사선을 측정 할 수있는 썸네일 크기의 챔버를 만들었습니다. 그들은 한 번에 수십억 전자의 무선 배출량을 측정하기 위해 그것을 확장하기를 희망합니다. 그것은 작은 작은 무선 안테나로 장식 된 200-cubic 미터 챔버가 필요합니다.
다른 사람들은 입자 가속기로 생성 된 합성 방사성 동위 원소 인 Holmium-163의 핵을 연구함으로써 중성미자의 질량을 쫓아 내고 전자 캡처라고 불리는 베타 붕괴와 거의 반대되는 과정을 겪습니다. 그 안에서, 핵은 중성미자를 뱉어 내면서 원자 자신의 전자 중 하나를 뒤로 젖 힙니다. 그러한 포획에서 모든 열과 기타 에너지를 집계하고 스펙트럼 끝에 작은 부족을 찾음으로써 물리학 자들은 삼중 수 실험에서와 같이 중성미자의 질량을 유추 할 수 있어야합니다.
이것이 독일 하이델베르크 대학교 (University of Heidelberg)에서 홀미움 (ECHO) 실험에 대한 전자 캡처의 목표입니다. Echo 물리학자인 Loredana Gastaldo는 실험자들이 수십 개의 탐지기의 작업을 만들었습니다. 그녀는 중성미자 덩어리를 측정하기에 충분한 붕괴를 일으키기 위해 "우리는 100 명의 탐지기에서 100,000 명의 탐지기로 가야합니다."
.카트린이 결정적인 측정에 미치지 못하고 새로운 접근 방식이 전파되지 않으면 중성미자를 직접 계량하는 것은 도달 할 수없는 목표로 남아있을 수 있습니다. 물리학 자들은 하늘에서 나오는 간접적이고 불확실한 대중 추정치에 만족해야 할 수도 있습니다. 그리고 부끄러워하고 은퇴하는 입자는 다시 한 번 미스터리의 덮개를 보존했을 것입니다.
