Sebuah mesin penghitung elektron yang besar secara tidak langsung telah meningkatkan ukuran partikel yang diketahui paling licin dalam fisika - dan menambah bukti untuk materi gelap.
Pengukuran itu adalah hasil pertama dari upaya internasional untuk mengukur massa neutrino - partikel yang mengisi alam semesta kita dan menentukan strukturnya, tetapi kita hampir tidak dapat mendeteksi sama sekali. Neutrinos, menurut eksperimen Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) yang berbasis di Jerman, tidak memiliki massa elektron lebih dari 0,0002%. Angka itu sangat rendah sehingga bahkan jika kita menghitung semua neutrino di alam semesta, mereka tidak dapat menjelaskan massa yang hilang. Dan fakta itu menambah tumpukan bukti keberadaan materi gelap.
KATRIN pada dasarnya adalah mesin yang sangat besar untuk menghitung elektron berenergi super tinggi yang meledak dari sampel tritium - suatu bentuk hidrogen radioaktif. dengan satu proton dan dua neutron di setiap atom. Tritium tidak stabil, dan neutronnya membusuk menjadi pasangan elektron-neutrino. KATRIN mencari elektron dan bukan neutrino karena neutrino terlalu lemah untuk diukur secara tepat. Dan mesin tersebut menggunakan gas tritium, menurut Hamish Robertson, seorang ilmuwan dan profesor emeritus KATRIN di University of Washington, karena itu adalah satu-satunya sumber elektron-neutrino yang cukup sederhana untuk mendapatkan pengukuran massa yang baik.
Neutrino kurang lebih mustahil untuk diukur dengan tepat pada mereka sendiri karena mereka memiliki massa yang sangat sedikit dan cenderung melompat keluar dari detektor tanpa berinteraksi dengan mereka. Jadi untuk mengetahui massa neutrino, Robertson mengatakan kepada Live Science, KATRIN menghitung elektron yang paling energetik dan bekerja mundur dari jumlah itu untuk menyimpulkan massa neutrino. Hasil pertama dari KATRIN telah diumumkan, dan para peneliti sampai pada kesimpulan awal: Neutrino memiliki massa tidak lebih tinggi dari 1,1 elektron volt (eV).
Electron volts adalah satuan massa dan energi yang digunakan fisikawan ketika berbicara tentang hal-hal terkecil di alam semesta. (Pada skala partikel fundamental, energi dan massa diukur menggunakan satuan yang sama, dan pasangan neutrino-elektron harus menggabungkan tingkat energi yang setara dengan neutron sumbernya.) Higgs boson, yang meminjamkan partikel lain massa mereka, memiliki massa 125 miliar EV. Proton, partikel di pusat atom, memiliki massa sekitar 938 juta eV. Elektron hanya 510.000 eV. Eksperimen ini menegaskan bahwa neutrino sangat kecil.
KATRIN adalah mesin yang sangat besar, tetapi metodenya sangat mudah, kata Robertson. Ruang pertama perangkat penuh dengan gas tritium, yang neutronnya secara alami membusuk menjadi elektron dan neutrino. Fisikawan sudah tahu berapa banyak energi yang terlibat ketika neutron meluruh. Sebagian energi diubah menjadi massa neutrino dan massa elektron. Dan sisanya akan dituangkan ke dalam partikel-partikel yang baru dibuat itu, secara kasar menentukan seberapa cepat mereka pergi. Biasanya, energi ekstra itu didistribusikan secara merata antara elektron dan neutrino. Tetapi kadang-kadang sebagian besar atau seluruh energi yang tersisa dibuang ke satu partikel atau lainnya.
Dalam hal itu, semua energi yang tersisa setelah neutrino dan elektron terbentuk dibuang ke mitra elektron, membentuk elektron energi super tinggi, kata Robertson. Itu berarti massa neutrino dapat dihitung: Ini adalah energi yang terlibat dalam peluruhan neutron dikurangi massa elektron dan tingkat energi maksimum elektron dalam percobaan.
Fisikawan yang merancang percobaan tidak mencoba mengukur neutrino; mereka diizinkan keluar dari mesin tanpa disentuh. Sebagai gantinya, percobaan menyalurkan elektron ke dalam ruang hampa raksasa, yang disebut spektrometer. Arus listrik kemudian menciptakan medan magnet yang sangat kuat yang hanya bisa dilewati oleh elektron berenergi tertinggi. Di ujung lain kamar itu adalah perangkat yang menghitung berapa banyak elektron yang melewati medan. Ketika KATRIN perlahan-lahan meningkatkan kekuatan medan magnet, kata Robertson, jumlah elektron yang melewati menyusut - hampir seolah-olah akan memudar sampai nol. Tetapi pada akhir dari spektrum tingkat energi elektron itu, sesuatu terjadi.
"Spektrum mati tiba-tiba, sebelum Anda mencapai titik akhir, karena massa neutrino tidak dapat dicuri oleh elektron. Spektrum itu harus ditinggalkan untuk neutrino," kata Robertson. Massa neutrino harus kurang dari jumlah energi yang sangat kecil yang hilang dari ujung spektrum. Dan setelah beberapa minggu runtime, para peneliti mempersempit jumlah itu menjadi sekitar setengah dari jumlah yang sebelumnya diketahui oleh fisikawan.
Gagasan bahwa neutrino memiliki massa sama sekali adalah revolusioner; Model Standar, teori fisika andalan yang menggambarkan dunia subatomik, pernah menegaskan bahwa neutrino tidak memiliki massa sama sekali, kata Robertson. Sejauh tahun 1980-an, peneliti Rusia dan Amerika berusaha mengukur massa neutrino, tetapi hasilnya bermasalah dan tidak tepat. Pada satu titik, peneliti Rusia mematok massa neutrino tepat pada 30 eV - jumlah yang bagus yang akan mengungkapkan neutrino sebagai mata rantai yang hilang yang akan menjelaskan struktur gravitasi besar alam semesta, mengisi semua massa yang hilang - tetapi satu yang ternyata salah.
Robertson dan rekan-rekannya pertama kali mulai bekerja dengan gas tritium saat itu, setelah mereka menyadari bahwa zat radioaktif samar menawarkan sumber peluruhan neutron paling tepat yang tersedia untuk ilmu pengetahuan.
"Ini pencarian yang panjang," kata Robertson. "Pengukuran 30 eV Rusia sangat menarik karena akan menutup alam semesta secara gravitasi. Dan itu masih menarik karena alasan itu. Neutrino memainkan peran besar dalam kosmologi, dan mereka mungkin telah membentuk struktur skala besar alam semesta."
Semua partikel samar yang terbang di sekitar menarik benda lain dengan gravitasi mereka, dan mengambil dan meminjamkan energi dari semua hal lain. Meskipun jumlah massa semakin berkurang, kata Robertson, peran yang tepat dari partikel kecil ini menjadi semakin rumit.
Angka 1,1 eV, kata peneliti, menarik karena ini adalah jumlah massa neutrino pertama yang diturunkan secara eksperimental yang tidak cukup tinggi untuk menjelaskan struktur sisa alam semesta dengan sendirinya.
"Ada hal yang belum kita ketahui. Ada masalah gelap ini," dan itu tidak dapat dibuat dari neutrino yang kita ketahui, katanya.
Jadi jumlah kecil ini dari ruang hampa udara besar di Jerman setidaknya menambah tumpukan bukti bahwa alam semesta memiliki unsur-unsur yang masih belum dipahami oleh fisika.
