Bezpośrednie pomiary

Pierwsze górne ograniczenie na masę neutrin zostało podane przez Wolfganga Pauliego w momencie, w którym wprowadził on ową cząstkę do fizyki. Przez następne dziesięciolecia naukowcy próbowali zmierzyć masę owej ulotnej cząstki bazując na zasadach zachowania, pędu i energii. Bezskutecznie. Przesuwali jedynie coraz bardziej w dół górne ograniczenie na ową masę. Gdy na scenie pojawiło się drugie neutrino (mionowe), a następnie trzecie (taonowe), również próba bezpośredniego pomiaru ich masy znalazła się na liście pomiarów dokonywanych przez fizyków.


Neutrino wprowadził do fizyki w latach 30-tych Wolfgang Pauli. Wprowadzając je zauważył, że cząstka ta musi mieć bardzo małą masę, porównywalną z masą elektronu lub mniejszą, może nawet wręcz mieć masę równą zeru. Na jakiej podstawie Pauli wyciągnął ten wniosek? Otóż w rozpadzie beta jądro pierwotne przechodzi w jądro końcowe emitując elektron i anty-neutrino elektronowe. Energia obu produktów - końcowego jądra oraz elektronu może być mierzona w doświadczeniu. Jedynym obiektem, którego energii nie możemy bezpośrednio zmierzyć, jest energia anty-neutrina elektronowego. Możemy za to posłużyć się zasadą zachowania energii dla procesu - energia jądra początkowego (które spoczywa, więc jego energia całkowita jest uwięziona w jego masie, zgodnie z tożsamością masa-energia znalezioną przez Alberta Einsteina) musi być równa sumie energii niesionej przez jądro końcowe, elektron oraz anty-neutrino. W ten sposób możemy znaleźć energię uciekającego anty-neutrina. Niestety jeśli neutrino jest cząstką posiadającą masę, to jego energia jest sumą jego energii ruchu (energii kinetycznej) i energii związanej z masą neutrina. Znając całkowitą energię neutrina nie jesteśmy w stanie powiedzieć, ile energii przypada na ową energię kinetyczną, a ile na energię związaną z masą. Tym samym nie jesteśmy w stanie powiedzieć, ile wynosi masa neutrina. Istnieje jednak pewien sposób. Elektrony emitowane są w reakcji rozpadu beta z różnymi energiami. Okazuje się, że maksymalna energia, jaką mogą mieć elektrony w takiej reakcji, zależy od masy anty-neutrina elektronowego. Można to sobie wyobrazić w taki sposób, że im cięższe jest neutrino, tym większa musi być energia, którą wynosi ono z reakcji w postaci swojej masy, a więc tym mniejsza jest energia, którą może wynieść elektron. Pomiar masy anty-neutrina elektronowego (która zgodnie z podstawową zasadą fizyki mikroświata powinna być równa masie neutrina elektronowego) polega na badaniu rozkładu energii elektronów emitowanych w rozpadzie beta i poszukiwaniu tych elektronów o maksymalnej energii, jej pomiarze oraz ocenieniu z owej energii, jaka jest masa neutrina.

Bezpośredni pomiar masy neutrina

Niestety pomiar tego typu jest bardzo trudny do wykonania. Liczba elektronów emitowanych w rozpadzie beta najpierw rośnie, a następnie spada wraz z ich energią. Tych o najwyższych energiach jest bardzo, bardzo mało. Tych, które mogą nam powiedzieć coś o masie neutrin, jest nie więcej niż jeden na dziesięć milionów elektronów emitowanych w rozpadzie beta. Dlatego eksperymenty, które starają się zmierzyć masę neutrin posługując się rozpadem beta, trwają zazwyczaj wiele miesięcy, a nawet lat. Kolejnym problemem jest wykonanie dokładnego pomiaru energii owych elektronów. Pomiar ten musi być na tyle dokładny, aby rozróżnić pomiędzy maksymalnymi energiami charakterystycznymi dla hipotezy bezmasowych neutrin i neutrin posiadających bardzo małą masę. Eksperymenty, które przeprowadzają pomiary rozpadu beta, posługują się polami magnetycznymi, aby odseparować od siebie elektrony o różnych prędkościach, a więc o różnych energiach. Co więcej, fizycy prowadzący takie doświadczenia muszą być świadomi wszystkich procesów powodujących utratę energii przez elektrony wyemitowane w rozpadzie beta. Takimi procesami są na przykład zderzenia elektronów z innymi atomami wewnątrz próbki z substancją radioaktywną oraz z atomami znajdującymi się w detektorze.

Przygotowywany eksperyment Katrin2

Wszystkie opisane powyżej efekty sprawiają, że pomiar masy neutrin w rozpadach beta jest niezwykle trudny. Jednak pomiarów takich dokonuje się od przeszło 50 lat. Każdy kolejny eksperyment ma większą czułość od poprzedniego, pozwala też na próby zmierzenia coraz mniejszych mas neutrina. Niestety do tej pory wszystkie prowadzone eksperymenty dały wyniki na masę neutrina elektronowego zgodne z zerem. Podaje się jedynie tzw. górne ograniczenia na ową masę, czyli wartości masy, poniżej których eksperymenty przestają być czułe, i nawet jeśli masa neutrina byłaby różna od zera i leżała poniżej owego górnego ograniczenia, to eksperymenty nie byłyby w stanie jej wykryć. Każdy kolejny eksperyment obniża owe górne ograniczenie na masę neutrina. Aby zobrazować postęp w dziedzinie pomiaru masy neutrina elektronowego wystarczy powiedzieć, że Pauli twierdził, iż masa neutrina musi być równa bądź mniejsza niż masa elektronu (czyli w języku fizyków 511 000 eV), dziś wiemy, że neutrina mogą mieć co najwyżej masę równą 1/250 000 masy elektronu (czyli około 2 eV)! Kolejne eksperymenty, które przesuną owe ograniczenie jeszcze bardziej, trwają.

Bezpośredni pomiar masy neutrina

Fizycy próbują również zmierzyć w sposób bezpośredni masę neutrina mionowego i taonowego. Wiemy, że mion jest cięższy od elektronu około 200 razy, zaś taon około 3400 razy. Może więc neutrina mionowe i taonowe są również znacznie cięższe od neutrina elektronowego.

Eksperyment Troisk

Aby znaleźć masę neutrina mionowego, naukowcy badają rozpady pionu. Pion rozpada się na mion oraz anty-neutrino mionowe. Mierząc energię pionu i mionu oraz ich pędy można stwierdzić, ile energii i pędu wyniosło ze sobą anty-neutrino. Niestety pomiary tego typu są znacznie trudniejsze niż pomiary rozpadu beta. Piony są cząstkami niestabilnymi. Eksperymenty badające ten proces nie znalazły niezgodności pomiędzy masą neutrina mionowego a zerem. Górne ograniczenie na masę neutrina mionowego wynosi pół masy elektronu (250 000 eV). Ograniczenie jest więc znacznie gorsze niż w przypadku neutrina elektronowego, co jest wynikiem trudności pojawiających się przy dokonywaniu pomiarów.

Ograniczenie na masy poszczególnych rodzajów neutrin

Aby znaleźć podobne ograniczenie na masę neutrina taonowego, fizycy badają rozpad taonu, w którym to rozpadzie pojawi się na końcu pięć naładowanych pionów oraz jedno neutrino taonowe (lub anty-neutrino). Wszystkie naładowane piony są rekonstruowane w detektorze, mierzona jest ich energia i pęd. W ten sposób posługując się zasadami zachowania można wyznaczyć ograniczenie na masę neutrina taonowego (podobnie jak miało to miejsce w przypadku neutrina elektronowego). Niestety pomiar tego typu jest znacznie trudniejszy niż pomiar dla neutrina elektronowego czy mionowego. W chwili obecnej górne ograniczenie na masę neutrina taonowego wynosi około trzydziestu mas elektronu.