Project 8 is een belangrijke mijlpaal in het meten van de massa van neutrino's.Neutrino's zijn ongrijpbare subatomaire deeltjes die zich moeiteloos door gewone materie bewegen en een belangrijke rol spelen in de deeltjes waaruit ons universum bestaat. Om volledig uit te leggen hoe ons universum is ontstaan, moeten we de massa ervan kennen. Maar net als velen van ons is het manieren vinden om te voorkomen dat je gewogen wordt.
In 2022 bepaalde het KATRIN-onderzoeksteam een bovengrens voor de massa van een neutrino. Deze mijlpaal was het resultaat van tientallen jaren hard werken. Maar deze resultaten verkleinen het zoekvenster alleen maar. KATRIN zal binnenkort zijn detectielimiet bereiken en zelfs overschrijden, maar vederlichte neutrino's kunnen zelfs nog lichter zijn, wat de vraag oproept: "Wat is het volgende? Wat is het volgende?"
De hier getoonde cyclotron stralingsemissiespectroscopie (CRES) is de sleutel tot een geheel nieuwe aanpak gericht op het bepalen van de massa van het ongrijpbare neutrino. Bron: Alec Lindemann, Project 8-team
Spookdeeltjes volgen
In hun laatste onderzoek rapporteert het Project 8-team in het tijdschrift Physical Review Letters dat ze een geheel nieuwe techniek kunnen gebruiken om op betrouwbare wijze een natuurlijk fenomeen te volgen en vast te leggen dat bèta-verval wordt genoemd. Wanneer een zeldzame radioactieve variant van waterstof – tritium – vervalt in drie subatomaire deeltjes: heliumionen, elektronen en neutrino’s, komt bij elk verval een kleine hoeveelheid energie vrij.
Het uiteindelijke succes van Project 8 hangt af van een ambitieus plan. In plaats van te proberen neutrino’s rechtstreeks te detecteren – wat zonder problemen door de meeste detectortechnologieën kan gaan – gebruikte het team een eenvoudige meetstrategie die als volgt kan worden samengevat:
Einstein vertelde ons dat de totale massa van een tritiumatoom gelijk is aan de energie van zijn delen. Wanneer we de vrije elektronen meten die worden geproduceerd door bèta-verval, kennen we de totale massa, en de "ontbrekende" energie is de massa en beweging van het neutrino.
"In principe zou het, naarmate de technologie zich ontwikkelt en opschaalt, mogelijk kunnen zijn om het bereik te bereiken dat nodig is om de massa van een neutrino te bepalen", zegt Brent VanDevender, een van de hoofdonderzoekers van Project 8 bij het Pacific Northwest National Laboratory van het Department of Energy.
Waarom punt 8?
Deze onderzoekers kozen ervoor deze ambitieuze strategie na te streven omdat ze de voor- en nadelen hadden onderzocht en tot de conclusie waren gekomen dat deze haalbaar was.
Thalia Weiss is een afgestudeerde student kernfysica aan de Yale Universiteit. Zij en haar Project 8-collega's hebben jarenlang bestudeerd hoe ze elektronische signalen nauwkeurig kunnen onderscheiden van elektronische achtergrondruis. Christine Claessens is postdoc aan de Universiteit van Washington. Ze promoveerde op Project 8 aan de Universiteit van Mainz in Duitsland. Weiss en Claesens voerden twee laatste analyses uit, waarbij de eerste beperkingen werden opgelegd aan de neutrinomassa's afgeleid van de nieuwe techniek.
"Het neutrino is ongelooflijk licht. Het is meer dan 500.000 keer lichter dan een elektron. Dus wanneer een neutrino en een elektron tegelijkertijd worden geproduceerd, heeft de neutrinomassa een minimaal effect op de beweging van het elektron. We willen dit kleine effect zien. We hebben dus een supernauwkeurige manier nodig om te meten hoe snel het elektron beweegt, " zei Weiss.
Project 8 is gebaseerd op precies zo'n technologie, meer dan tien jaar geleden bedacht door natuurkundigen Joe Formaggio en Ben Monreal, die toen allebei bij MIT werkten. Een internationaal team verzamelde zich rond het idee en vormde Project 8 om het idee om te zetten in een praktisch hulpmiddel. De resulterende methode wordt cyclotron stralingsemissiespectroscopie (CRES) genoemd. Het vangt de microgolfstraling op die wordt uitgezonden door pasgeboren elektronen terwijl ze in een magnetisch veld ronddraaien. Deze elektronen voeren de meeste, maar niet alle, energie af die vrijkomt tijdens bèta-verval. Het is deze ontbrekende energie die de massa van het neutrino onthult. Dit is de eerste keer dat CRES-technologie wordt gebruikt om het bèta-verval van tritium te meten en een bovengrens te stellen aan de massa van neutrino's.
Hoe wegen wetenschappers neutrino's? Beeldbron: Animatie geproduceerd door Sara Levine van Pacific Northwest National Laboratory
Innovatieve methoden en uitdagingen
Het team was alleen geïnteresseerd in het volgen van deze elektronen, omdat hun energie essentieel is voor het onthullen van de massa van het neutrino. Hoewel deze strategie al eerder is toegepast, is de door de CRES-detector gemeten elektronenenergie zo cruciaal dat het schaalbaarheidspotentieel ervan elke bestaande technologie overtreft. En deze schaalbaarheid is wat Project 8 onderscheidt. Elise Novitski is assistent-professor aan de Universiteit van Washington en heeft leiding gegeven aan vele aspecten van het onlangs gepubliceerde werk.
‘Niemand doet dit’, zei Nowitzki. "We nemen geen bestaande technologie en proberen deze aan te passen. We bevinden ons een beetje in het Wilde Westen."
In het laatste experiment aan de Universiteit van Washington in Seattle volgde het team 3.770 tritium-bèta-vervalgebeurtenissen in een monstercel ter grootte van een erwt gedurende een experimenteel venster van 82 dagen. De monstercel wordt cryogeen gekoeld en in een magnetisch veld geplaatst dat opkomende elektronen lange tijd opvangt, waardoor de opnameantenne van het systeem het microgolfsignaal kan opnemen.
Het beste van alles was dat het team geen valse signalen of achtergrondgebeurtenissen registreerde die niet voor echte signalen konden worden aangezien. Dit is belangrijk omdat zelfs een zeer kleine achtergrond het neutrinomassasignaal kan maskeren, waardoor de interpretatie van het bruikbare signaal moeilijker wordt.
Onderzoekers die deel uitmaakten van Project 8, onder leiding van PNNL-experimenteel natuurkundige Noah Oblath, ontwikkelden ook een reeks gespecialiseerde software - elk vernoemd naar verschillende insecten - om de ruwe gegevens te nemen en deze om te zetten in signalen die kunnen worden geanalyseerd. Ook projectingenieurs zetten hun knutselhoeden op en bedachten verschillende onderdelen om Project 8 tot een succes te maken.
"Onze ingenieurs zijn cruciaal voor dit werk", zei Nowitzki. "Vanuit het perspectief van een ingenieur is dit de benadering van een leek. Experimentele natuurkunde bevindt zich op het grensvlak van natuurkunde en techniek. Je moet bijzonder avontuurlijke ingenieurs en praktijkgerichte natuurkundigen hebben die samenwerken om deze dingen te laten gebeuren, omdat deze dingen niet in de leerboeken staan."
het einde bereiken
Nu het onderzoeksteam heeft aangetoond dat hun ontwerp- en experimentele systeem met tritiummoleculen kan werken, hebben ze een dringende taak voor de boeg. Een deel van het team werkt aan de volgende stap: het bouwen van een systeem dat individuele tritiumatomen kan genereren, koelen en afvangen. Deze stap is lastig omdat tritium, net als zijn overvloedigere neef waterstof, er de voorkeur aan geeft moleculen te vormen. Deze moleculen zullen het onmogelijk maken om het uiteindelijke doel van het Project 8-team te bereiken. Onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Mainz ontwikkelen de onderzoekers een proefbed om atomair tritium te creëren en op te vangen met behulp van een complexe reeks magneten. Dit voorkomt dat het atomaire tritium in contact komt met de celwanden van het monster - omdat het vrijwel zeker zal terugkeren naar zijn moleculaire vorm aan de celwand.
Vooruitgang in deze technologie, samen met upgrades van het hele instrument, zullen cruciale stappen zijn in de richting van het bereiken en uiteindelijk overtreffen van de gevoeligheid die door het KATRIN-team wordt bereikt.
Momenteel test een onderzoeksteam bestaande uit leden van tien onderzoeksinstellingen ontwerpen om experimenten op te schalen van een monsterkamer ter grootte van een erwt naar een kamer die duizend keer groter is. Het idee is om grotere luisterapparatuur te gebruiken om meer bèta-vervalgebeurtenissen vast te leggen - van de grootte van een erwt tot de grootte van een strandbal.
"Project 8 is niet alleen een groter en beter CRES-experiment, het is het eerste CRES-experiment en het eerste dat deze detectietechnologie gebruikt", zei Oblath. "Dit is nog nooit eerder gedaan. De meeste experimenten zijn 50 of 100 jaar oud, tenminste de detectietechnologie die ze gebruiken, en dit is echt nieuw."