Neutrinii sunt particule elementare omniprezente în univers, dar dificil de detectat. Deși miliarde de neutrini traversează constant materia, inclusiv corpul uman și Pământul, interacțiunea lor extrem de slabă cu aceasta și absența unei sarcini electrice fac studiul lor deosebit de complex.
Determinarea masei neutrinilor reprezintă o problemă fundamentală în fizica modernă. Inițial, Modelul Standard al fizicii particulelor, teoria care descrie particulele elementare și interacțiunile lor, a postulat că neutrinii nu au masă.
Observațiile experimentale ulterioare au contrazis însă această ipoteză, indicând că neutrinii posedă o masă, deși foarte mică. Stabilirea valorii exacte a acestei mase rămâne un obiectiv important.
Experimentul KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment), desfășurat în Germania, este conceput pentru a măsura masa neutrinului printr-o metodă indirectă de înaltă precizie.
Abordarea nu presupune detectarea directă a neutrinilor, o sarcină extrem de dificilă, ci analiza dezintegrării beta a tritiului, un izotop radioactiv al hidrogenului.
În cursul acestui proces, un nucleu de tritiu se transformă într-un nucleu de heliu-3, emițând un electron și un antineutrino electronic (antiparticula neutrino-ului electronic). Principiul experimentului constă în măsurarea cu mare acuratețe a energiei electronilor emiși.
Energia totală eliberată în dezintegrare este fixă; prin urmare, măsurând energia maximă a electronilor, se poate deduce energia minimă și, implicit, masa antineutrino-ului, care preia o parte din energia ce nu este purtată de electron.
Pentru a atinge precizia necesară, KATRIN utilizează o instalație complexă, incluzând un spectrometru de 200 de tone și o structură cu o lungime totală de 70 de metri.
Datele recente publicate de colaborarea KATRIN, obținute pe parcursul a 259 de zile de măsurători și prin analiza a 36 de milioane de electroni, au permis rafinarea limitei superioare pentru masa neutrino-ului electronic.
Această limită a fost redusă de la valoarea anterioară de 0,8 electronvolți (eV) la 0,45 eV. Această valoare corespunde unei mase de aproximativ 8 × 10⁻³⁷ kilograme.
Experimentul KATRIN este în desfășurare și se preconizează că va continua colectarea de date până în 2025, având ca obiectiv analiza unui total de 250 de milioane de electroni.
Scopul final este de a reduce limita superioară a masei neutrino-ului la 0,3 eV, cu un nivel de încredere statistică de 90%. Confirmarea faptului că neutrinii au masă are implicații semnificative pentru fizica fundamentală.
Aceasta indică faptul că Modelul Standard al fizicii particulelor este incomplet și necesită fie modificări, fie extinderea printr-o nouă teorie.
Descoperirea masei neutrinilor ar putea oferi indicii despre fenomene cosmologice încă neînțelese pe deplin, cum ar fi natura materiei întunecate, despre care se crede că formează o componentă majoritară a masei totale a universului.
De asemenea, ar putea contribui la o mai bună înțelegere a evoluției universului, încă din primele sale momente după Big Bang.
Astfel, prin măsurarea masei uneia dintre cele mai evazive particule cunoscute, experimentul KATRIN nu reprezintă doar o realizare tehnică remarcabilă, ci și un instrument important în explorarea limitelor cunoașterii actuale în fizică și deschiderea unor posibile noi direcții de cercetare.
Detaliile acestui studiu au fost publicate în jurnalul științific Science.
