Ühe elektroni sünkrotronkiirgus aitab määrata neutriino massi?

Teadlased on suutnud ära mõõta üksiku magnetväljas ringorbiidil liikuva elektroni kiirguse.  Eksperimendis, mida tuntakse ka Projekt 8 nime all ja milles osales 27 teadlast  kuuest teadusasutusest USA-st ja Saksamaalt, mõõdeti väga täpselt ära üksiku elektroni kiirguse sagedus, mis omakorda annab täpse hinnangu elektroni energiale. Kui elektroni energia mõõtmise täpsust õnnestuks veel parandada, saaks sellistest eksperimentidest hinnata neutriino massi.

Kui elektrilaeng liigub ringorbiidil, siis ta kiirgab elektromagnetkiirgust. See nähtus on aluseks sünkrotronkiirguse saamisel ja üheks põhjuseks, miks planetaarne aatomi mudel üsna kiiresti kõrvale heideti . Aga kui sünkrotronides kiirgavad üheaegselt paljud elektronid, siis Projekt 8-s suudeti tekitada olukord, kus registreeriti ühe elektroni sünkrotronkiirgus.

Kasutatud seadme (vt joonis) põhiosaks on 1T ülijuhtiva magneti sisse paigutatud väike gaasirakk. Rakk sisaldab gaasilise krüptoon-83  molekule, mille beetalagunemisel tekivad elektronid. Kuna lagunemine toimub magnetväljas hakkavad tekkinud elektronid liikuma ringorbiitidel ja kiirgama ca 25 GHz sagedusega elektromagnetlaineid, mis siis väga tundlike mikrolainete võimenditega registreeritakse.

Uurijatel õnnestus mõõta eksperimendist kiiratud elektromagnetvälja tugevuse sõltuvana ajast ja sagedusest (vt teist pilti). Heledad, ülespoole kaldu jooned näitavad elektronide poolt kiiratud elektromagnetlaineid. Kuidas sellest pildist aru saada?

Kui elektronid kiirgavad elektromagnetlaineid, siis nad paratamatult kaotavad energiat, nende pöörlemise raadius väheneb, samas sagedus suureneb. Kusjuures ennustatav sageduse suurenemine on samamoodi lineaarne, kui käesolevas eksperimendis mõõdetud (hüpped kõrgemate sageduste poole on põhjustatud elektronide põrkumisest gaasi rakus olevate aatomite ja molekulidega). Teadlased suutsid elektroni energia ära mõõta täpsusega 30 elektronvolti.

Aga see eksperiment ei ole teps mitte püsti pandud nende peaaegu et koolifüüsika tasemel teadmiste tõestamiseks. Eesmärgiks on hoopis  neutriinode massi mõõtmine. Neutriino mass on kahtlemata teema, mis väärib omaette käsitlust. Siinkohal nendime lihtsalt, et neutriino massi alampiiriks on täna hinnatud 0.01-0.05eV/c², samas kui “kerguselt” järgmise fermioni, elektroni, mass on >500000eV/c² . Nii et neutriino on tõepoolest väga-väga kerge (pikka aega arvati, et tal ei olegi seisumassi) ning järelikult ka raskesti mõõdetav.

Aga kuidas saab hinnata neutriino massi, kui registreeritakse elektronide kiiratud elektromagnetlaineid? Kiirguse algpõhjus on beetalagunemine. Beetalagunemisel peab kehtima energia ja impulsi jäävuse seadus. See ei ole võimalik teisiti, kui iga beeta-lagunemise käigus kiiratakse ka neutriino . Eksperimendis mõõdetakse ära elektroni energia ning võrreldakse seda beetalagunemise koguenergiaga. Kui neutriinol on mass, siis ei saa elektroni energia võrduda lagunemise koguenergiaga, sest osa energiast peab minema neutriino seisumassi tekitamiseks (vana hea E=mc²). Järelikult saab neutriino massi hinnata lagunemises tekkiva maksimaalse energiaga elektroni energia kaudu.

Allikad:

http://physics.aps.org/articles/v8/36?referer=rss

http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.162501

http://phys.org/news/2015-04-tabletop-detector-electrons.html