KATRIN

Transport spektrometru głównego do Instytutu Technologii w Karlsruhe .

KATRIN to niemiecki akronim ( Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) oznaczający przedsięwzięcie polegające na pomiarze masy antyneutrina elektronowego z dokładnością poniżej eV poprzez badanie widma elektronów emitowanych w wyniku rozpadu beta trytu . Eksperyment jest uznanym CERN (RE14). Rdzeniem aparatu jest 200-tonowy spektrometr .

W 2015 roku zakończono pomiary rozruchowe na tym spektrometrze, weryfikując z powodzeniem jego podstawowe właściwości próżniowe, transmisyjne i tła. Eksperyment rozpoczął testy uruchomieniowe w październiku 2016 r. Inauguracja miała miejsce 11 czerwca 2018 r. wraz z pierwszymi pomiarami trytu przez eksperyment (tzw. First Tritium lub FT 2-tygodniowy bieg inżynieryjny w połowie 2018 r.). Przewidywany czas trwania eksperymentu w tym czasie wynosił 5 lat. Pierwsze pomiary naukowe (tzw. pierwsza kampania) odbyły się 10 kwietnia 2019 r.

W lutym 2022 roku eksperyment ogłosił górną granicę m _ν < 0,8 eV c ^–2 przy 90% poziomie ufności .

Budowa i montaż

Ilustracja linii badawczej KATRIN i jej głównych elementów.

Spektrometr został zbudowany przez firmę MAN DWE GmbH w Deggendorf . Chociaż tylko 350 km od Karlsruhe , rozmiar czołgu uniemożliwiał transport lądowy. Zamiast tego został wysłany drogą wodną, w dół Dunaju do Morza Czarnego , przez Morze Śródziemne i Ocean Atlantycki do Rotterdamu , a następnie w górę Renu do Karlsruhe. Ten objazd o długości 8600 km ograniczył podróż lądową tylko do ostatnich 7 km od Leopoldshafen do laboratorium.

Budowa przebiegła pomyślnie, a kilka głównych komponentów było na miejscu do 2010 r. Główny program testów spektrometru zaplanowano na 2013 r., a pełną integrację systemu na 2014 r. Eksperyment znajduje się w dawnym Forschungszentrum Karlsruhe, obecnie Campus Nord Instytutu w Karlsruhe technologii .

Eksperyment

Widmo energetyczne elektronów emitowanych w rozpadzie beta trytu. Pokazano trzy wykresy dla różnych mas neutrin. Wykresy te różnią się jedynie zakresem w pobliżu wysokoenergetycznego punktu końcowego; przecięcie z odciętą zależy od masy neutrina. W eksperymencie KATRIN widmo wokół tego punktu końcowego jest mierzone z dużą precyzją w celu uzyskania masy neutrina.

Kalendarium pomiarów masy neutrin za pomocą różnych eksperymentów.

Rozpad beta trytu jest jednym z najmniej energetycznych rozpadów beta . Wyemitowany elektron i neutrino mają tylko 18,6 keV energii . KATRIN jest przeznaczony do generowania bardzo dokładnego widma liczby elektronów emitowanych z energiami bardzo bliskimi tej całkowitej energii (zaledwie kilka eV dalej), które odpowiadają neutrinom o bardzo niskiej energii . Jeśli neutrino jest cząstką bezmasową, nie ma dolnej granicy energii, jaką może przenosić neutrino, więc widmo energii elektronów powinno rozciągać się aż do granicy 18,6 keV. Z drugiej strony, jeśli neutrino ma masę, to zawsze musi przenosić co najmniej taką ilość energii, jaka odpowiada jego masie przez $E = m c$ ² , a widmo elektronowe powinno spaść poniżej granicy całkowitej energii i mieć inną kształt.

W większości przypadków rozpadu beta elektron i neutrino przenoszą mniej więcej równe ilości energii. Zdarzenia będące przedmiotem zainteresowania KATRIN, w których elektron zabiera prawie całą energię, a neutrino prawie wcale, są bardzo rzadkie i zdarzają się mniej więcej raz na bilion rozpadów . Aby odfiltrować typowe zdarzenia, aby detektor nie został przeciążony, elektrony muszą przejść przez potencjał elektryczny , który zatrzymuje wszystkie elektrony poniżej pewnego progu, który jest ustawiony kilka eV poniżej limitu całkowitej energii. Liczone są tylko elektrony, które mają wystarczającą energię, aby przejść przez potencjał.

Wyniki

Pierwsze wyniki z pierwszej kampanii pomiarowej (10 kwietnia – 13 maja 2019 r.) opublikowano 13 września 2019 r. Górną granicę masy neutrin elektronowych ustalono na 1,1 eV.

Od września 2019 r. eksperyment ma na celu przeprowadzenie 3 kampanii pomiarowych, z których każda obejmuje 65 dni aktywnego pomiaru w ciągu roku. Eksperyment zakłada, że potrzeba 1000 dni pomiarów, aby osiągnąć docelową czułość 0,2 eV (górna granica masy neutrin). Ostatecznych rezultatów można więc spodziewać się za 5–6 lat.

Górna granica z lutego 2022 r. to m _ν < 0,8 eV c ^–2 przy 90% CL w połączeniu z poprzednią kampanią.

Znaczenie

Dokładna masa neutrina jest ważna nie tylko dla fizyki cząstek elementarnych, ale także dla kosmologii . Obserwacja oscylacji neutrin jest mocnym dowodem na korzyść masywnych neutrin, ale daje tylko słabą dolną granicę.

Wraz z możliwą obserwacją bezneutrinowego podwójnego rozpadu beta , KATRIN jest jednym z eksperymentów neutrinowych, które najprawdopodobniej przyniosą znaczące wyniki w najbliższej przyszłości.

Linki zewnętrzne

Współrzędne :