Neutrinii, particule elementare care fac parte din Modelul Standard al fizicii moderne, sunt cele mai misterioase particule dintre cele pe care le cunoaștem. Au o masă atât de mică încât nu am reușit s-o măsurăm până în prezent. Experimentul KATRIN a pus o nouă limită asupra acestei mase, pentru prima dată într-un experiment direct sub 1 eV.

Neutrinii

Neutrinii sunt particule elementare în cadrul Modelului Standard. Există trei tipuri de neutrini: cel electronic, cel muonic și cel tauonic. Aceste particule interacționează cu materia doar prin interacțiunea nucleară slabă – care, cum îi spune și numele, este atât de slabă încât foarte, foarte rar neutrinii ajung să interacționeze cu materia. Din acest motiv studiul experimental al neutrinilor este extrem de dificil, întrucât are nevoie de fluxuri intense de neutrini și/sau aparate de volume mari și deosebit de complexe. În Soare, de exemplu, iau naștere un număr enorm de neutrini în urma reacțiilor nucleare din interior; parte dintre aceștia ajung până la noi și chiar în acest moment miliarde de neutrini traversează corpul nostru fără se interacționeze cu materia din care suntem făcuți. Neutrini (sau antineutrini – antimateria neutrinilor; de precizat că la ora actuală nu se știe dacă neutrinii și antineutrinii sunt particule diferite sau una și aceeași) iau naștere și în reactoarele nucleare și procese de dezintegrare ale unor elemente chimice, și mai multe experimente îi studiază.

Neutrinii au o masă diferită de zero

Multă vreme s-a crezut că neutrinii nu au masă și, la fel ca fotonii, ar fi particule de pură energie. Au fost însă observate așa-numitele oscilații de neutrini, adică transformarea neutrinilor de un fel în neutrini de alt fel (de exemplu neutrini de tip muonic în neutrini de tip tau în cadrul experimentului OPERA de la laboratorul subteran de la Gran Sasso), procese explicate de fizica cuantică și care se petrec doar dacă particulele au masă. Neutrinii au deci o masă, însă aceasta este extrem de mică – altfel am fi măsurat-o până acum. De exemplu masa electronului este de circa 1800 de ori mai mică decât cea a protonului; ei bine, neutrinii (electronici în acest caz) au o masă și mai mică, mult-mult mai mică. Multe experimente încearcă să măsoare masa acestora. Până în prezent însă fără rezultate; au fost doar puse limite superioare asupra masei neutrinilor.

KATRIN – un nou record

Un experiment ambițios, KATRIN, care folosește o metodă deosebită, la Karlsruhe în Germania și-a propus să facă tot posibilul să determine masa neutrinilor. Practic, KATRIN măsoară cu mare precizie electronii emiși în procesele de dezintegrare ale tritiului. Tritiul este un izotop greu al hidrogenului – care conține în nucleu un proton și doi neutroni. Este un nucleu instabil care se dezintegrează cu o viață medie de circa 12 ani într-un ion de heliu3 emițând un electron și un antineutrin electronic. Din măsurătoarea energiei electronului se poate deduce masa neutrinului. Practic, energia la dispoziția electronului depinde de masa pe care o are antineutrinul. Ei bine, într-un articol publicat recent în revista Nature Physics, KATRIN pune o nouă limită pentru masa antineutrinului electronic: 0,8 eV (eV este o unitate de energie și deci și masă – în această unitate protonul de exemplu are aproape un miliard de eV).

Această limită, obținută prin analize de date cu noi metode de tip Bayesian, este de circa 600 de mii de ori mai mică decât masa electronului! Cum această valoare este doar o limită superioară de fapt neutrinii ar putea avea mase și mai mici; și se pare că indicații din astrofizică ar spune că așa și stau lucrurile.

În viitor

KATRIN va continua cu măsurătorile încă 3 ani urmând să ajungă la o limită de 0,2 eV – sau, dacă masa neutrinului este între 0,2 și 0,8 eV să o măsoare! După KATRIN va urma un nou experiment (Project 8) și mai sensibil.

Neutrinii ascund încă multe secrete. Pe lângă masa acestora și mecanismul care ar genera o masă așa de mică, mai este și cel al diferenței sau nu între antineutrini și neutrini. Acest secret ar putea fi legat la rândul lui de un mare mister al fizicii și cosmologiei: unde a dispărut antimateria din Univers?

Credit imagine: KATRIN, Forschungszentrum Karlsruhe/KIT

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe