"Hayalet Parçacıklar" -Nötrinolar ne kadar ışıktır? Ölçü aletlerini taşımak için destansı bir yolculuk dahil
Sıra dışı devasa bir makine, evrende gizli olan gizemleri ortaya çıkarmak umuduyla, gizemli bir parçacığı incelemeye başlamak üzere.
2006'da Katrin'in ana spektrometresi Almanya'nın Karlsruhe şehrine gidiyordu. Projenin Haziran 2018'de başlaması planlanıyor
Güneybatı Almanya'daki Karlsruhe banliyölerinde, mühendisler yerel politeknik enstitüsüne mavi balinadan daha büyük paslanmaz çelik bir cihaz yerleştirdiler. Bir Zeplin'e (sert bir zeplin) veya bu tür bir yumuşak hava gemisine çok benzer.
Bu cihaz, dünyanın en büyük vakum odalarından biridir ve iç basıncı, ayın yüzeyinden daha düşüktür. Karmaşık bir sorunu çözmeyi amaçlar: Nötrino evrendeki en önemsiz maddenin kütlesini ölçün.
Her saniye milyarlarca nötrino vücudumuzdan geçer. Güneş, her dakika evrene trilyonlarca nötrino yayar. 13,8 milyar yıl önceki Büyük Patlama da sayısız nötrino bıraktı.
Evrende, diğer parçacık türlerinden daha fazla nötrino vardır, ancak evrendeki bu hafif oyuncunun hareket etmesini engelleyecek neredeyse hiçbir şey yoktur.
Diğer maddelerle etkileşime girmedikleri için bilim adamlarının beyinlerini tuhaf hale getiriyorlar. Nötrinolar, karanlık maddenin doğası ve genişleyen evrenin gelecekteki kaderi dahil olmak üzere önemli kozmolojik konular hakkındaki anlayışımızı tazeleyebilir.
Ne yazık ki, bu dayanılmaz hafiflik onları olağanüstü derecede gizemli kılıyor.
Karlsruhe Tritium Neutrino Deneyini (Katrin olarak da bilinir) yapma kararı doğdu.
Deney, hidrojen izotop trityum tarafından yayılan elektron ve nötrinoların davranışını belirlemeyi ve vakum odasından geçerken meydana gelen küçük yol değişikliklerini ortaya çıkarmayı amaçlamaktadır. Bu değişiklikler, nötrinonun fiziksel özellikleri, özellikle de kütlesi hakkında kesin ayrıntıları ortaya çıkarmalıdır.
Proje lideri Guido Drexlin, "Katrin'i hazırlama sürecinde, teknolojiyi sınırlarına kadar uyguladık." Enstrümandaki nötrinoların kaynağı olan cihazdaki trityum sıcaklığı, mutlak sıfırın 30 ° C üzerinde tutulur. Ayrıca, makinenin içindeki manyetik alanı da sıkı bir şekilde kontrol etmemiz gerekiyor, bu da esasen tüm binanın manyetikliğini gidermeye eşdeğer. "
Katrin'in planlanması ve inşası on yıldan fazla sürdü.
Alman vergi mükellefleri, devlet destekli Helmholtz Federasyonu aracılığıyla bu deneye 60 milyon euro katkıda bulunurken, Amerika Birleşik Devletleri, Rusya, Çek Cumhuriyeti ve İspanya ortaklaşa 6 milyon euro katkıda bulundu ve onlar da araştırmanın bir kısmına katılacaklar.
Şu anda, Katrin son test aşamasına girdi ve önümüzdeki yıl Haziran ayında tam olarak faaliyete geçecek, ancak bundan sonra, bilim insanlarının nötrinoların kalitesini doğru bir şekilde tahmin etmek için yeterli bilgiye sahip olmaları beklenmeden önce veri toplamaları beş yıl alacak.
"O zaman bile, ihtiyacımız olan cevapları bulmak için deneyin ikinci aşamasına başlamamız gerekebilir." Drexillin, "Sonuçta bilinmeyen bir bölgeye giriyoruz" dedi.
1930'da Nobel Ödülü sahibi Wolfgang Pauli, radyoaktif bozunma sırasında diğer atom altı parçacıkların davranışını açıklamak için ilk kez nötrinoların varlığını varsaydı. Bundan sonra, 26 yıllık bir araştırmanın ardından, nötrinolar ilk kez tespit edildi. Bu güne kadar, gizemli ve öngörülemeyen özellikleri hala bilim adamları için baş ağrısına neden oluyor.
Kanada'daki Sudbury Neutrino Gözlemevi, bunların ne kadar ince ve öngörülemez olduğunu göstermek için bir örnek sunuyor: Nötrinoları yakalamak için 1000 tonluk bir ağır su tankı kullanılıyorsa, ancak her saniye 10 trilyon nötrino geçiyorsa Su tankları, ancak günde sadece 30 kadar tespit edilebiliyor.
Nötrinoların üç farklı biçimde var olduğu bilinmektedir: elektron nötrinoları, müon nötrinoları ve tau nötrinoları.
Uzun bir süre bilim adamları, üçünün hiçbirinin herhangi bir niteliği olmadığına inanıyordu. Bu ürkütücü parçacık, geçici olayı en uç noktaya doğru yorumlar. Yazar John Updike, "Kozmik Safra" (Kozmik Safra) şiirinde bu tuhaf duyguyu dile getirdi.
Nötrinolar, çok küçükler
Ücret yok, kütle yok
Ve asla birbirinizle uğraşmayın
Dünya bir aptal
Onlar tarafından süpürülmek, havadar koridorda yürüyen toz lekeli bir hizmetçi gibidir.
Ancak 20. yüzyılın sonu ve 21. yüzyılın başında bilim adamları, şiirde nötrinolarla ilgili ifadenin tamamen doğru olmadığına ve hala belirli bir niteliğe sahip olduklarına dair kanıtlar buldular.
Sırasıyla Japonya'dan Takaaki Kajita (Takaaki Kajita) ve Kanada'dan Arthur McDonald (Arthur McDonald) deneylerle yukarıdaki sonuçları kanıtladı. Bu deneyler, nötrinoların uzayda dolaşırken form değiştirdiğini gösteriyor. Örneğin, güneşten gelen bazı elektron nötrinoları, dünyaya doğru hücum etme sürecinde müon nötrinolarına ve tau nötrinolarına dönüşecek. Bu sürece nötrino salınımı denir.
Drexillin, "Bu keşif çok önemli." Dedi, "Kozmolojik teoride basit bir kısıtlama var, yani sadece kütle nesneleri farklı formlar arasında salınabilir. Kütlesiz parçacıklar bu tür değişikliklere uğramaz. Bu nedenle, bu tür değişiklikler meydana gelemez. , Bu da net bir çıkarıma yol açar: nötrinoların kütlesi olmalıdır. "
Drexillin, deneyin sonuçlarının ortaya çıktığı fizik toplantısını hatırlattı.
"Bir rock konseri gibiydi. İnsanlar tezahürat yaptı, dans etti ve dans etti - bu sebepsiz değil. Evrene bakışımızın bundan sonra değişeceğini anladık." Nötrinoların büyük sırrı Takaaki Kajita yüzünden MacDonald 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Katrin içinde
Nötrinoların kütlesini doğrudan ölçemeyiz, ancak aynı anda salınan elektronların enerji dağılımını inceleyerek nötrinoların kütlesini çıkarabiliriz.
Katrin'in vakum odasında, güçlü bir manyetik alanın rehberliğinde elektronlar neredeyse aynı yönde akarlar. Prensip aşağıdaki gibidir:
Nötrino avlamanın özel yolları
Trityum çekirdeği, bir nötrino ve bir elektron salarak bir helyum-3 çekirdeğine dönüşür.
1. Bitiş: ekipman izleme ve kalibrasyondan sorumlu
2. Trityum kaynağı: Trityum, "penceresiz trityum gazı kaynağı" adı verilen bir cihaza yerleştirilir.
3. Kılavuz: Boru hattının etrafındaki süper iletken mıknatıs, gücü dünyanın manyetik alanının 70.000 katı olan bir manyetik alanı harekete geçirir.
4. Spektrometrenin ön ucu: vakum odasında kalan gaz molekülleri tarafından saçılabilecek elektronların sayısını daha da sınırlar
5. Spektrometrenin içinde: elektronlar devasa bir vakum odasına yönlendirilir. Sadece en yüksek enerjiye sahip elektronlar dahili elektrik alanından geçerek detektöre ulaşabilir. Elektronların bu kısmı toplamın yaklaşık yüz milyarda birini oluşturur
6. Detektör: Fizikçiler detektöre gelen elektronları sayarlar, yüksek enerji uçlarında spektrumlarını doğru bir şekilde ölçer ve bundan nötrinoların kütlesini çıkarırlar.
Nötrinoların kütlesi varsa, bu kütle nedir?
Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı'ndan Mark Thompson'ın dediği gibi, doğru ölçüm sonuçlarının önemli bir etkisi var.
"Nötrinoların kütlesi var, ancak çok hafifler. Bilinen diğer atom altı parçacıkların milyarda biri. Ancak öte yandan, bu kadar çok sayıda nötrino ile, toplam kütleleri aynı olmayabilir, bu nedenle evrendedirler. Ayrıca önemli bir etkisi olabilir. Nötrinoların kütlesini, evrenin geleceğini nasıl etkilediklerini anlamak için anlamaya can atıyoruz. "
Örneğin, nötrinoların kütlesinin mevcut tahminden daha büyük olduğunu bulursak, toplam ağırlıkları evrenin genişlemesini etkileyecek ve yavaşlatacaktır. Kütleleri mevcut tahminlerden düşükse, o zaman, evrende her yerde bulunmalarına rağmen, evrenin genişleme hızı üzerinde fazla bir etkisi olmayacak.
Bilim adamlarının nötrinoların kütlesi hakkında endişelenmelerinin tek nedeni, evrenin genişlemesi üzerindeki etki değil.
Thomson, "En ilgi çekici şey, kütlelerinin diğer herhangi bir parçacığın kütlesinden çok daha küçük olması, bu parçacıkların milyarda biri. Bu, kütlelerinin diğer mekanizmalardan türetilmesi gerektiğini gösteriyor." "Diğer tüm parçacıklar Higgs bozonuna bağlanarak kütle kazanıyorlar, ancak nötrino farklı bir yaklaşım benimsemeli. Yani, dahil olan başka temel kuvvetler var. Bu keşfedilmeyi bekliyor. Hazine."
Bu nedenlerden dolayı, onlarca yıldır bilim adamları nötrinoların tam kütlesini ölçmek için çeşitli yollar deniyorlar.
II.Dünya Savaşı'ndan sonraki ilk denemeden sonra, bilim topluluğu nötrino kütlesinin üst sınırını elektron kütlesinin 1 / 500'üne eşit olan yaklaşık 500 elektron volt (ev) olarak belirledi ve elektronların kendileri zaten oldukça küçük. (Bir nesnenin kütlesini tanımlamak için enerji birimlerini kullanmak garip olabilir, ancak tüm atom altı parçacıkların kütlesi elektron volt olarak ölçülür. Elektron volt ayrıca kütle birimleri olarak da kullanılabilir, çünkü Einsteinın E = mc kare denklemine göre enerji eşittir Kalite birbirine dönüştürülebilir.)
Katrin'in içinde, süper iletken mıknatıs tarafından üretilen manyetik alan yoğunluğu, dünyanın manyetik alanının 70.000 katıdır.
Daha sonra, başka ölçümler, nötrino kütlesinin üst sınırını önemli ölçüde düşürdü ve şu anda yalnızca yaklaşık 2 elektron volt, yani en hafif atomun yaklaşık iki milyarda biri. Doğru bir değer elde etme görevi Katrin'in omuzlarına düşecek.
Bu proje az miktarda trityum kullanacak. Çekirdekte iki nötron ve bir proton bulunan bir hidrojen izotopudur. (Normal hidrojen çekirdeğinde nötron yoktur.) Trityum, nükleer reaktörlerin bir ürünüdür ve çok pahalıdır. Drexillin, "Bir gram trityum yaklaşık 10.000 avroya mal oluyor, bu nedenle özellikle yüksek radyoaktivitesi göz önüne alındığında çok dikkatli olmalısınız." Dedi.
Katrin için en önemli şey trityumun radyoaktivitesidir. Trityum bir helyum izotopu olan helyum-3'e bozunur ve bu sırada bir elektron ve bir nötrino açığa çıkar. Trityum kaynağı tarafından salınan elektronların enerjisi (ve dolayısıyla kütle) doğru ölçüldüğü sürece, onunla salınan nötrinoların enerjisini (ve kütlesini) çıkarmak mümkündür.
Süper iletken mıknatıs, dünyanın manyetik alanından 70.000 kat daha güçlü bir manyetik alan oluşturacak ve elektronların akışını Katrin'in dev vakum odasına yönlendirerek güçlü bir elektrik alanına uçmalarına neden olacak. Sadece en yüksek enerjiye sahip elektronlar bu elektrik alanından geçebilir ve sayılabilir. Bu elektronlar, trityum çekirdeğinin bozunmasıyla üretilen enerjinin neredeyse tamamını emer.Bu durumda, karşılık gelen nötrino herhangi bir enerji taşımayacaktır. Trityum çekirdeklerinin bozunmasıyla üretilen her 5 trilyon elektron için, muhtemelen yukarıdaki özellikleri karşılayan bir elektron vardır.
"Bu elektronlar, trityum çekirdeğinin bozunmasıyla üretilen tüm kinetik enerjiyi taşıyacak." Drexillin, "karşılık gelen nötrino herhangi bir kinetik enerji taşımayacak. Bu şekilde, nötrino kütlesini hesaplayabiliriz. Doğru hesaplamalar nötrinoların tam kütlesini elde edebilir.
"Somut bir rakama ulaşmayı ummamız en az beş yıl sürecek, ancak bu sadece bizim dileğimiz. O zaman bile hiçbir şey olmayabilir. O zaman ne yapacağımıza gelince, biz zaten var. Pek çok fikir. Sonunda nötrinoların kalitesini kesinlikle ölçeceğiz. Bu harika bir yolculuk olacak. "
200 tonluk dev spektrometre, nakliye sırasında Alman Leopoldshafen kasabasından geçti
Modern Odyssey: Katrin'in eve dönüş yolculuğu
Katrin'in ana bileşeni, 23 metre uzunluğunda ve 10 metre genişliğinde bir vakum odasıdır. Onu Karlsruhe'ye taşıma yolculuğu, modern mühendisliğin en garip destansı yolculuklarından biridir.
Vakum odası, Münih'in 150 kilometre kuzeydoğusundaki Deggendorf'ta inşa edildi. 200 ton ağırlığında ve Zeplin'e benziyor. Bununla birlikte, hava yoluyla taşınamayacak kadar büyük olduğu gibi, batı karayolu ile 400 kilometre ötedeki Karlsruhe'ye doğrudan taşınamaz. Bu nedenle mühendisler su yollarını seçmek zorunda kaldı. Önce Tuna boyunca doğuya Karadeniz'e gittiler, sonra Akdeniz'i geçtiler, Biscay Körfezi'ni ve İngiliz Kanalı'nı geçtiler ve Hollanda'nın Rotterdam kentine vardılar. Sonunda Ren Nehri'nin aşağısında, sonunda Karlsruhe'ye yaklaştı. 8.800 kilometrelik yolculuğun tamamı iki ay sürüyor.
Drexillin, "Buna Avrupa'nın en büyük dolambaçlı yolu deniyor ve nedeni açık." Dedi.
Yolculuk sorunsuz geçmedi. Eylül 2006'da, vakum odası yüklü gemi yelken açtıktan kısa bir süre sonra, Almanya'nın Johanstein kentini geçtiğinde, kargo çok hafifti ve gövdenin Tuna nehrini geçen bir köprünün altından geçemeyecek kadar yüksek olmasına neden oluyordu. Drexillin, "1.000 ton taş satın almak zorunda kaldık ve gemiyi köprünün altından geçmek zorunda kaldık."
27 Ekim'de vakum odası Karadeniz'e ulaştı. Birkaç gün sonra Marmara Denizi üzerinden Akdeniz'e giderken gemi bir fırtınayla karşılaştı. "Güvertedeki vakum odasını kaplayan koruyucu kapak fırlatıldı ve paslanmaz çelik kabuk açığa çıktı, bu da deniz suyundan kaynaklanan korozyon riskini artırdı." Dedi Drexillin, "ama devam etmeye karar verdik."
Sonunda, vakum odası Rotterdam'a geldi ve Ren Nehri'ne doğru yelken açtı. Bu sırada, Ren Nehri'nin su seviyesi on yılların en düşük seviyesindeydi. "Nehir yatağından sadece birkaç santimetre uzakta, neredeyse nehir yatağını siliyorduk." Dedi Drexillin.
Leopoldshafen'de, Karlsruhe'nin eteklerinde, vakum odasını karada kaldırmak ve dev bir karavana yerleştirmek için dünyanın en güçlü vinçlerinden birini kullandılar.
"Daha önce biri bana vakum odasını yerinde görmek için kaç kişinin geleceğini sordu." Drexillin, "Yaklaşık 300 kişi olduğunu söyledim. Sonuç olarak o gün 30.000 kişi geldi. Kasabadaki tüm yiyecekler bir saat içinde satıldı. Ancak, herkesin aç kalması için 10.000 sosis getirmekten başka çaremiz yoktu. "
Bu yolculuğun son ayağı da heyecan verici.
Drexillin, "Bazı yerlerde, vakum odası ve şehirdeki binalar birbirinden sadece 3 santimetre uzakta." Dedi. Bu dev, kasabanın etrafında soldan sağa doğru yürüyor. Sahne muhteşem ve tuhaf. İnsanları Buddha'yı Hollywood'da belli bir uzaylı istilası filmine sokmak gibi hissettiriyor.
Son olarak, vakum odası Karlsruhe Teknoloji Enstitüsü'ndeki "evine" ulaştı. "Kirlendiğinde," dedi Drexillin, "Yani, yaptığımız ilk şey onu temizlemek oldu. Ne de olsa biz Almanız."
Çeviri: Kaz
Kaynak: The Guardian
Oluşturuldu: En yaratıcı fikirleri keşfetmek için tiyatro tarzı çevrimdışı konuşma platformu
Mavi kelimeyi tıklayın "daha fazlasını anla" Daha fazlası için Heyecan verici içerik "geliştirin" ,ve ayrıca "Yetiştirme" üye avantajları Açmanızı bekliyorum.
