Mezinárodní experiment KATRIN: Půl milionu neutrin váží méně než jeden elektron

Neutrina sice mají nepatrnou hmotnost, přesto však hrají klíčovou roli v kosmologii i v částicové fyzice. Hmotnost těchto elementárních částic dosud neznáme, ale již první výsledek mezinárodního experimentu KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino experiment) její rozsah výrazně zúžil.

Podrobná analýza prvního čtyřtýdenního měření z jara 2019 ohraničila velikost této fundamentální veličiny pod 1 eV (elektronvolt). Tato hodnota je zhruba poloviční oproti dosavadní horní hranici, kterou dosáhli předchůdci po mnohaletých měřeních.

Neutrina jsou důležitá i v částicové fyzice, kde jejich nepatrná hmotnost ukazuje k nové fyzice nad rámec známých teorií. Mezinárodní experiment KATRIN, vybudovaný v Technologickém institutu Karlsruhe (KIT) je v současné době světově nejpřesnější „váhou“, která v nadcházejících letech umožní prozkoumat hmotnost těchto fascinujících částic s bezpříkladnou přesností.

Související

Petr Sýkora

Záhadné rádiové signály letící vesmírem miliardy…

Martin Pokorný

Vědci vytvořili hustou baryonovou hmotu, kterou se…

Kolaboraci KATRIN, kterou tvoří dvacet institucí ze šesti zemí, se v minulých létech podařilo zvládnout při vývoji tohoto unikátního zařízení řadu technologických výzev. V létě 2018 proběhla za účasti dvou nositelů Nobelovy ceny za fyziku oficiální inaugurace a letos na jaře 150členný tým poprvé, obrazně řečeno, „položil neutrina na ultrapřesné váhy KATRIN“.

Ve zdrojovém kryostatu cirkulovalo několik týdnů plynné tritium a energetická spektra elektronů, vzniklých při jeho rozpadu, byla analyzována speciálním elektrostatickým spektrometrem s magnetickým usměrněním částic. Do analýzy změřených spekter se pak pustily tři mezinárodní týmy, aby získaly první údaje KATRIN o hmotnosti neutrina.

Jak je zvykem v současných přesných experimentech, část informace nezbytné k úplné analýze spekter zůstala skryta. Tento způsob označují specialisté jako „zaslepení“. V červenci 2019 se trojice sešla na týdenním pracovním zasedání v KIT. Pozdě večer 18. července byly uvolněny poslední vstupní údaje nezbytné k úplné analýze naměřených dat.

Během noci proběhla nová analýza dat, tentokrát se zcela odhaleným modelem předpovědí tvaru spektra pro různé hmotnosti neutrina. Příští den ráno všechny tři týmy dospěly ke shodnému výsledku, který hmotnost neutrina omezuje na hodnotu menší než 1 eV s 90 % pravděpodobností. To znamená, že půl milionu neutrin váží méně než jeden elektron, který je druhou nejlehčí elementární částicí.