Ζυγίζοντας τα νετρίνα με το πείραμα KATRIN

Το νετρίνο είναι ένα ουδέτερο στοιχειώδες σωματίδιο, δηλαδή ένα απειροελάχιστα μικρό σωμάτιο που δεν αποτελείται από άλλα, μικρότερα. Η κρατούσα θεωρία που περιγράφει τη Φυσική τέτοιου είδους σωματιδίων ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο και ερμηνεύει με πολύ μεγάλη επιτυχία όλα τα γνωστά φαινόμενα της Φυσικής στη μικρότερη δυνατή κλίμακα. To Καθιερωμένο Πρότυπο δέχεται ότι το νετρίνο δεν έχει μάζα, υποθέτει δηλαδή κάτι ανάλογο με αυτό που συμβαίνει με το φωτόνιο, το οποίο είναι γνωστό ότι έχει μηδενική μάζα. Την τελευταία δεκαπενταετία όμως διαρκώς πληθαίνουν οι πειραματικές ενδείξεις ότι αυτή η θεώρηση δεν είναι σωστή και ότι το νετρίνο έχει μη μηδενική μάζα. Η οριστική επιβεβαίωση αυτών των ενδείξεων θα σημάνει την ανάγκη βελτίωσης του Καθιερωμένου Προτύπου, το οποίο – έτσι όπως είναι σήμερα – θα ισχύει πια μόνο προσεγγιστικά.

KATRINΤο φασματόμετρο του πειράματος KATRIN βάρους 200 τόνων: Η νέα «ζυγαριά» των νετρίνων

Σε αυτήν την περίπτωση η ακριβής μέτρηση της μάζας του νετρίνου θα βοηθήσει στη διατύπωση μιας νέας, ελπίζουμε πλήρους, θεωρίας για τη Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτές τις ημέρες άρχισε να λειτουργεί στην Καρλσρούη της Γερμανίας το πείραμα KATRIN, το οποίο έχει για σκοπό αυτήν ακριβώς τη μέτρηση. Το συγκεκριμένο πείραμα αξίζει ιδιαίτερη προσοχή, όχι μόνο επειδή τα αποτελέσματά του θα έχουν θεμελιώδη σημασία για τη Φυσική, αλλά και επειδή ο εξοπλισμός του αποτελεί αξιοσημείωτο επίτευγμα της εφαρμοσμένης Φυσικής και της τεχνολογίας της.

Αναζητώντας την άγνωστη μάζα

Η ύπαρξη του νετρίνου προτάθηκε από τον γερμανό φυσικό Wolfgang Pauli το 1930 για να ερμηνευθούν τα δυσεξήγητα, αλλιώς, πειραματικά αποτελέσματα της εποχής. Συγκεκριμένα κατά τη διάσπαση των νετρονίων οι ανιχνευτές κατέγραφαν την παραγωγή ενός πρωτονίου και ενός νετρονίου, οι ταχύτητες των οποίων όμως δεν συμφωνούσαν με τους δύο βασικότερους νόμους της Κλασικής Μηχανικής, δηλαδή με τους νόμους διατήρησης της ενέργειας και της ορμής. Επειδή οι ανιχνευτές καταγράφουν μόνο φορτισμένα σωματίδια, σε αυτήν την περίπτωση το θετικό πρωτόνιο και το αρνητικό ηλεκτρόνιο, ο Pauli πρότεινε την ιδέα ότι κατά τη διάσπαση αυτή, που ονομάζεται «διάσπαση-β», παράγεται και ένα τρίτο, ουδέτερο και άρα «αόρατο» σωματίδιο, η ενέργεια και η ορμή του οποίου είναι τέτοιες ώστε να ισχύουν οι δύο νόμοι της Κλασικής Μηχανικής που ανέφερα παραπάνω. Η επιτυχία αυτής της πρόβλεψης διαπιστώθηκε 26 χρόνια αργότερα, όταν το 1956 ανακαλύφθηκε πειραματικά το σωματίδιο αυτό. Από την εποχή εκείνη υπήρξε μια μεγάλη προσπάθεια για να μετρηθούν τα βασικά χαρακτηριστικά του νετρίνου, και κυρίως η μάζα του. Οπως ήδη ανέφερα, η σήμερα ισχύουσα θεωρία προβλέπει ότι το νετρίνο έχει μηδενική μάζα, υπάρχουν όμως σημαντικότατες πειραματικές ενδείξεις ότι αυτό δεν είναι αλήθεια. Φαίνεται ότι το νετρίνο έχει μάζα, αν και σημαντικά μικρότερη από όλα τα άλλα στοιχειώδη σωματίδια. Σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας, μάζα και ενέργεια είναι ισοδύναμες φυσικές ποσότητες. Στη Φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων, μια συνηθισμένη μονάδα μέτρησης της ενέργειας είναι το ηλεκτρονιοβόλτ. Ετσι η μάζα ενός ηλεκτρονίου είναι 500.000 ηλεκτρονιοβόλτ, ενώ, σύμφωνα με τις πιο πρόσφατες εκτιμήσεις, η μάζα ενός νετρίνου αναμένεται να είναι μικρότερη από 0,3 αλλά μεγαλύτερη από 0,04 ηλεκτρονιοβόλτ.

Η ευρηματικότητα του KATRIN

Υστερα από πολλές πειραματικές προσπάθειες, αποφασίστηκε τελικά η πραγματοποίηση ενός πειράματος, του KATRIN, το οποίο θα προσπαθήσει να «ζυγίσει» με ακρίβεια τη μάζα του νετρίνου. Το πείραμα είναι βελτιστοποιημένο για να μετράει μάζες νετρίνων στο διάστημα μεταξύ 0,2 και 2 ηλεκτρονιοβόλτ, οπότε έχει πολύ μεγάλη πιθανότητα να δώσει θετικά και οριστικά αποτελέσματα. Πώς όμως έχει σχεδιαστεί αυτή η τόσο «ευαίσθητη» ζυγαριά, η οποία μπορεί να μετρήσει μάζες 1 εκατομμύριο φορές μικρότερες από τη μάζα ενός ηλεκτρονίου; Αυτό είναι προφανώς ένα θαύμα της θεωρητικής ευρηματικότητας και των σημερινών τεχνολογικών δυνατοτήτων. Για αυτούς τους δύο λόγους αξίζει να δούμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια αυτό το πείραμα.

KATRIN-Beamline-2011-SlideKATRIN είναι το ακρωνύμιο του πλήρους ονόματος Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment (= πείραμα της Καρλσρούης για νετρίνα από τη διάσπαση τριτίου), το οποίο περιγράφει τόσο τον τόπο όσο και τη θεωρητική σύλληψη του πειράματος. Τρίτιο είναι το ραδιενεργό ισότοπο του υδρογόνου, ο πυρήνας του οποίου αποτελείται από ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Ο πυρήνας του τριτίου υφίσταται διάσπαση-β και εκπέμπει ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο, με συνολική ενέργεια των δύο ίση με 18.600 ηλεκτρονιοβόλτ. Το πείραμα συνίσταται στη μέτρηση της ενέργειας των ηλεκτρονίων. Αν το νετρίνο έχει μηδενική μάζα, τότε η ενέργεια των ηλεκτρονίων θα μπορεί να φθάνει ως τα 18.600 ηλεκτρονιοβόλτ, στην περίπτωση που η ενέργεια του νετρίνου είναι σχεδόν μηδέν. Αν όμως το νετρίνο έχει μη μηδενική μάζα, τότε η μέγιστη ενέργεια του ηλεκτρονίου θα είναι 18.600 ηλεκτρονιοβόλτ μείον τη μάζα του νετρίνου, εκφρασμένη σε μονάδες ενέργειας. Μετρώντας τη μέγιστη ενέργεια των ηλεκτρονίων και αφαιρώντας την από τα 18.600 ηλεκτρονιοβόλτ βρίσκουμε τη μάζα του νετρίνου!

Ο όγκος μετράει!

Το πείραμα είναι σχεδιασμένο να μετράει με ακρίβεια την ενέργεια των ηλεκτρονίων που είναι μόλις κατά ένα ποσό της τάξης των 0,2-2 ηλεκτρονιοβόλτ μικρότερη από το όριο των 18.600 ηλεκτρονιοβόλτ. Αυτά τα γεγονότα είναι πολύ σπάνια, συμβαίνουν μόνο μία φορά για κάθε 1 τρισεκατομμύριο διασπάσεις. Για να μετρήσουμε τόσο σπάνια γεγονότα, χρειαζόμαστε ένα όργανο πολύ μεγάλου όγκου, και αυτό είναι το φασματόμετρο του πειράματος, ένα κυλινδρικό δοχείο διαμέτρου 10 μέτρων και μήκους 23 μέτρων. Το υλικό κατασκευής του είναι ανοξείδωτος χάλυβας εξαιρετικά μικρής περιεκτικότητας σε ραδιενεργές προσμείξεις, έτσι ώστε να περιοριστούν όσο είναι δυνατόν τα «παράσιτα» που μπορεί να «επισκιάσουν» τα σπάνια γεγονότα που αναζητούμε. Το όργανο αυτό κατασκευάστηκε στην πόλη Deggendorf της Γερμανίας, η οποία απέχει λιγότερο από 400 χιλιόμετρα από την Καρλσρούη. Ωστόσο ο όγκος και η λεπτή κατασκευή του οργάνου δεν επέτρεψαν την οδική μεταφορά του από το Deggendorf στην Καρλσρούη, και αντ’ αυτής επελέγη η μεταφορά με πλοία σε ένα μήκος 8.600 χιλιομέτρων. Κατ’ αυτήν το όργανο μεταφέρθηκε με ποταμόπλοιο από το Deggendorf στον Ατλαντικό, από εκεί με κανονικό πλοίο μέσω Γιβραλτάρ και Μεσογείου στη Μαύρη Θάλασσα, και στη συνέχεια πάλι με ποταμόπλοιο μέσω Δούναβη και Ρήνου στην Καρλσρούη. Το όργανο συναρμολογήθηκε τελικά στο Εργαστήριο Τριτίου του Πολυτεχνείου της Καρλσρούης το 2015 και, έπειτα από εξονυχιστικούς ελέγχους, άρχισε να λειτουργεί και να παίρνει μετρήσεις την Παρασκευή 14 Οκτωβρίου 2016. Τα πρώτα αποτελέσματα αναμένονται, με πολύ ενδιαφέρον αν όχι με αγωνία, ύστερα από έναν χρόνο, το φθινόπωρο του 2017.

Χάρης Βάρβογλης, πρώην καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ Πηγή