تجربة كاترين للنيوترينو

يهدف مشروع كارلسروه لنيوترينو التريتيوم ( KATRIN ) إلى تحديد كتلة مضاد نيوترينو الإلكترون بشكل مباشر. وقد جُمعت مكونات المشروع في معهد كارلسروه للتكنولوجيا منذ خريف عام 2015، وبدأت القياسات في 11 يونيو 2018 بحفل افتتاحي . تبلغ ميزانية المشروع 60 مليون يورو ومن المقرر أن تستمر القياسات لمدة خمس سنوات. ويشارك فيه حوالي 200 عالم من خمس دول وقارتين. تم تصميم جهاز كاترين KATRIN لقياس طيف بيتا لتحلل التريتيوم في منطقة أعلى طاقة له بحساسية تبلغ 0.2 إلكترون فولت و أجري القياسبمستوى ثقة 90% على مدى فترة قياس تمتد لعدة عقود). وهذا يعني أن تجربة كاترين ستتجاوز دقة التجارب المماثلة السابقة التي أجريت في ماينز بألمانيا و ترويتسك (بالقرب من موسكو) بنحو عشرة أضعاف؛ حيث كان الحد الأقصى لهذه التجارب 2 إلكترون فولط بالنسبة للكتلة. التحفيز في النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات، كان يُفترض مبدئيًا أن أنواع النيوترينو المعروفة ν <sub>e</sub> و ν<sub> μ </sub> و ν<sub> τ </sub> عديمة الكتلة. ورغم ذلك تشير تجارب عديدة أُجريت على نيوترينوات الغلاف الجوي ( سوبر كاميوكاندي )، ونيوترينوات الشمس ( غالكس ، هومستيك ، إس إن أو ، بوريكسينو )، ونيوترونات المفاعلات النووية ( دايا باي ، دبل تشوز ، رينو ) إلى أن كتلة النيوترينو ليست صفرًا. ترصد جميع هذه التجارب تذبذبات النيوترينو ، وبالتالي تقيس مسافات أختلاف تعتمد على فروق مربع الكتلة، مثل... Δ m 21 2 {\displaystyle \Delta m_{21}^{2}} و Δ m 23 2 {\displaystyle \Delta m_{23}^{2}} لكن ليس الكتل المطلقة للنيوترينو. مع ذلك، تسمح تجارب مثل كاترين وما سبقها بتحديد الكتل المطلقة. m 1 , 2 , 3 {\displaystyle m_{1,2,3}} ، وتلك هي ما تسمى بالحالات الذاتية للكتلة، والتي ترتبط بالكتل القابلة للقياس لنيوترينو الإلكترون، والنيوترينو µ، والنيوترينو τ طبقا لـ مصفوفة خلط ماكي-ناكاجاوا-ساكاتا . يُعدّ تحديد كتلة النيوترينو بدقة أمرًا ضروريًا للتمييز بين النماذج المختلفة التي تحاول تحديد كتلة النيوترينوات بما يتجاوز النموذج القياسي الحالي. كما يمكن أن تُسهم هذه المعرفة في فهم مدى مساهمة النيوترينوات، باعتبارها " مادة مظلمة ساخنة "، في تكوين البنى واسعة النطاق في الكون. إن معرفة كتلة إحدى الحالات الذاتية الثلاث للكتلة ستجعل من الممكن أيضاً الاختيار بين المتغيرات الثلاثة المحتملة لطيف كتلة النيوترينو: التسلسل الهرمي الطبيعي: m 1 < m 2 ≪ m 3 {\displaystyle m_{1}<m_{2}\ll m_{3}} التسلسل الهرمي المعكوس: m 3 ≪ m 1 < m 2 {\displaystyle m_{3}\ll m_{1}<m_{2}} التسلسل الهرمي شبه المنحط: m 1 ≈ m 2 ≈ m 3 ≈ m 0 mit m 0 = 0 , 10 eV {\displaystyle m_{1}\approx m_{2}\approx m_{3}\approx m_{0}\quad {\text{mit}}\;m_{0}=0{,}10\,{\text{eV}}} حيث وبالتالي فإن تجربة كاترين هي أول تجربة تغامر بالدخول إلى عالم التسلسل الهرمي شبه المنحط أو شبه المتحلل. التطبيق طيف اضمحلال بيتا للتريتيوم تبدأ التجربة بتحلل بيتا لغاز التريتيوم ، حيث ينبعث إلكترون ومضاد نيوترينو إلكتروني. طاقة التحلل هي 18.6 كيلو إلكترون فولت حيث تتوزع الطاقة بين النواة الوليدة والجسيمين المنبعثين (انظر علم الحركة )؛ ومع ذلك نظرًا لكتلتها الكبيرة نسبيًا، فإن النواة الوليدة لا تتلقى إلا جزءًا ضئيلاً للغاية. فإذا كان النيوترينو عديم الكتلة فإن الحد الأدنى لطاقة النيوترينو يساوي صفرًا، ويمتد طيف طاقة الإلكترونات المنبعثة إلى طاقة الاضمحلال الكاملة البالغة 18.6 كيلو إلكترون فولت. وعند كتلة غير صفرية m ν {\displaystyle m_{\nu }} للنيوترينو وبالتالي، يجب أن تكون طاقة سكون النيوترينو على الأقل "ناقصة" من طاقة الإلكترون. ومن خلال قياس الطيف بدقة بالقرب من الطاقة القصوى (أواخر المنحنيات) ، يمكن مقارنة القيم لـ m ν = 0 {\displaystyle m_{\nu }=0} نظرياً، تم حساب كتلة النيوترينو باستخدام المنحنى المقاس. يُطلق على رسم بيان الجذر التربيعي لاحتمالية طاقة الإلكترونات المنبعثة كدالة لطاقتها اسم مخطط كوري ؛ بالنسبة للنيوترينوات عديمة الكتلة، فإن الرسم البياني سيقترب من نقطة نهاية خط مستقيم أفقي. المطياف لا يهتم هذا الاختبار إلا بالإلكترونات التي تغادر التريتيوم بطاقة اضمحلالها الكاملة تقريبًا. تبلغ طاقاتها حوالي 18.6 كيلو إلكترون فولت ، فيجب أن تكون دقة قياس الكيلو إلكترون فولت أكثر من 1 إلكترون فولت للتمييز ، أي بدقة طاقة تبلغ حوالي 1/20 000 أو 5 · ١٠⁻⁵ . لا يمكن تحقيق ذلك باستخدام كواشف الجسيمات البسيطة. لذلك يُستخدم مطيافان موصولان على التوالي قبل الكاشف الفعلي؛ ويُطلق عليهما مرشحات MAC-E . تعمل هذه المرشحات على ترشيح جميع الإلكترونات التي تقل طاقتها عن الطاقة المُضادة لها بواسطة جهد عكسي معمول و قابل للتعديل، مما ينتج عنه توزيع مكاني يعتمد على الطاقة للإلكترونات المتبقية. ونتيجة لذلك فإن الإلكترونات التي انخفضت طاقتها إلى حوالي ١ بفعل الجهد العكسي هي فقط التي تصطدم بالكاشف في نهاية المنحنى يستقبل الكاشف مستويات طاقة محددة بدقة بوحدة الإلكترون فولت. وبالمقارنة مع أنواع أخرى من مطيافات بيتا، فإن مرشحات MAC-E تتميز بإضاءة (أي بكثافة ) عالية بشكل خاص. في جهاز قياس الطيف الأولي الأصغر، يبلغ الجهد المعاكس حوالي -18 كيلو فولت ينخفض تدفق الإلكترونات بشكل ملحوظ نتيجة انحراف الإلكترونات الأبطأ وابتعادها. وبذلك، يحقق المطياف الرئيسي - بعد تخليصه من الإلكترونات غير الهامة - الدقة الفائقة المذكورة آنفاً للفياس. في مطياف MAC-E، يقوم ملفان موضوعان محوريًا أحدهما خلف الآخر بمسافة معينة بتوليد مجال مغناطيسي. تتباعد خطوط المجال في الفراغ بين الملفين وتغطي مساحة مقطع عرضي كبيرة، مما ينتج عنه كثافة تدفق مغناطيسي عالية . B {\displaystyle B} وبالتالي تنخفض دقة المطياف لطاقة الإلكترون. E {\displaystyle E} يساوي نسبة الحد الأدنى إلى الحد الأقصى لكثافة التدفق المغناطيسي: أي تكون: Δ E E = B m i n B m a x {\displaystyle {\frac {\Delta E}{E}}={\frac {B_{\mathrm {min} }}{B_{\mathrm {max} }}}} . لتقليل B {\displaystyle B} حتى تصل إلى 1/20000 يجب أن تزداد مساحة المقطع العرضي الحر بين الملفات إلى 20000 ضعف مساحة المقطع العرضي للملف؛ وهذا يفسر الأبعاد الكبيرة للخزان المفرغ الرئيسي للمطياف (ويبلغ قطره 10 متر). يُستخدم الجهد الكهربائي في المطياف الرئيسي لقياس الطيف في نطاق -18.6 كيلو فولت ويٌسجل معدل القياس كدالة للجهد في رسم بياني. يستخدم المطياف الرئيسي ملفات مغناطيسية فائقة التوصيل ذات كثافة تدفق مغناطيسي لا تقل عن 6 تسلا . الكاشف لا يحقق كاشف أشباه الموصلات السيليكونية المستخدم للكشف عن الإلكترونات سوى دقة طاقة تبلغ 200 eV (إلكترون فولت) . بسبب اختيار الطاقة من قبل فإن الدقة العالية بشكل خاص ليست ضرورية هنا، وتساعد الدقة المنخفضة في قمع إشارات الخلفية المشوشة. يتم تقليل تدفق الإلكترونات بمقدار 10¹⁰ إلكترون في الثانية بواسطة المرشحين ، ويصل عدد الإلكترونات في مصدر التريتيوم إلى حوالي 1 إلكترون/ثانية عند الكاشف. وللحصول على نتائج ذات مغزى، ستكون هناك حاجة إلى عدة فترات قياس مدة كل منها ثلاثة أشهر، حيث يجب تسجيل الجهد المعاكس في المطياف باستمرار بدقة تصل إلى بضعة أجزاء في المليون . استبعاد إلكترونات الخلفية يمكن للإلكترونات غير الناتجة عن تحلل بيتا للتريتيوم، مثل تلك المنبعثة من جدار الخزان نتيجة تصادمها مع الأشعة الكونية الثانوية أن تشوه القياس. وللحد من هذا التشوه تم تبطين المطياف الرئيسي بالكامل من الداخل بقطب كهربائي مزدوج للحماية. ويكون الجهد المطبق على هذه الأقطاب أقل بقليل من الجهد المطبق على جدار الخزان، أي ما يقارب -18.6 كيلو فولت مقارنة بـ -18.4 كيلوفولت عند الجدار. هذا الجهد المعاكس يبطئ الإلكترونات المنبعثة من الجدار، مما يمنعها من الوصول إلى الكاشف. النتائج كان مشروع تجربة كاترين قيد الإنشاء حتى عام 2016. وخلال هذه الفترة،تم تشغيل المكونات الفردية وإجراء قياسات تجريبية. وفي خريف عام 2016، تم تمرير الإلكترونات من مصادر المعايرة عبر التجربة بأكملها لأول مرة ( الضوء الأول ، قياسًا على اتعبير لمراصد الفلكية). تبع ذلك حملة قياس في صيف عام 2017 بهدف اختبار التشغيل التجريبي باستخدام الإلكترونات الناتجة عن تحلل نظير الكريبتون 83m والتحقق من أهم خصائص التجربة (دقة الطاقة، واستقرار جهد المطياف، إوغيرها. أُجريت القياسات الأولية في وضع التشغيل المقصود بكمية مخفضة من التريتيوم منذ مايو 2018. في ا11 من شهر يونيو .2018 تم افتتاح تجربة كاتْرين رسميًا . وكشف منشور صادر عن فريق البحث في 14 فبراير 2022 أن الحد الأقصى لكتلة النيوترينو تم تحديده عند 0.9 إلكترون فولت (باستخدام التجارب السابقة حتى 0.8) إلكترون فولت) بمستوى ثقة 90 % . في نهاية عام 2024 وُجد أن الحد الأقصى لكتلة النيوترينو هو بحدود 0.45 إلكترون فولت (eV). خطط إضافية بعد الانتهاء من حملة القياس في عام 2025 وإجراء تعديل لاحق على الكاشف، ستقوم KATRIN بقياس الجزء الرئيسي من طيف الطاقة في عامي 2026 و 2027 (انظر الشكل). سيتم إعادة تهيئة الكاشف للكشف عن أي آثار للنيوترينوات العقيمة ، والتي قد تظهر على شكل "انحناءات" في المنحنى. هذا التعديل ضروري لأن عتبة الطاقة لهذه الحملة القياسية يجب أن تكون أقل بكثير من ذي قبل، مما يسمح بمرور عدد أكبر من الإلكترونات بالمقارنة بما يستطيع الكاشف الحالي معالجته. بعد حملة القياس الثانية هذه، يُخطط لإجراء تحديث رئيسي لتجربة كاترين ++ (تسمى KATRIN++) ، والذي من شأنه أن يُحسّن بشكل كبير دقة قياس كتلة النيوترينو. ومن بين التحسينات المُخطط لها ما يلي: باستخدام التريتيوم الذري كمصدر. مع جزيئات التريتيوم المستخدمة حاليًا ( T₂ )، يُفقد جزء متغير من طاقة الاضمحلال بسبب الاهتزازات الجزيئية لأيون HHe⁺ الناتج، مما يؤثر سلبًا على جودة نتائج القياس. لا تحدث هذه المشكلة مع التريتيوم الذري (لأانها ذرات منفردة). قياس طاقة الإلكترونات المنقولة لتمييز الإلكترونات المراد قياسها عن الإلكترونات الخلفية غير المرغوب فيها والتي عادة ما تكون ذات طاقة أعلى بكثير. إضافة أُجريت التجربة في معهد كارلسروه للتكنولوجيا (KIT ) لأن مصدر التريتيوم الوحيد المناسب للتجربة في أوروبا موجود هناك، في مختبر التريتيوم في الحرم الجامعي الشمالي لمعهد كارلسروه للتكنولوجيا ( مركز كارلسروه للأبحاث سابقًا). ثقيل، خزان التفريغ بطول 24 متر وقطر 10 متر ويصل وزنه 200 طن ووصل إلى كارلسروه قادما منديغندورف من MAN DWE لتركيب جهاز قياس الطيف الرئيسي لتجربة كاترين KATRIN . كانت الخزان كبيرا جدًا بحيث لا يمكن نقله عبر الطرق السريعة من ديغندورف، الواقعة على نهر الدانوب ، إلى كارلسروه - وكان الطريق البري سيكون بطول 350 كم. . وكان الخزان مناسبًا أيضًا لقناة الماين-الدانوب، حيث بلغ أقصى ارتفاع مسموح به 6 متر. كان مستوى الماء في هذا المجرى المائي مرتفعًا للغاية. وبدلًا من ذلك، كان لا بد من وضع الخزان على منصة تنقله على المياه مسافة 8600 كيلومتر . نُقل خزان التجربة عبر ممر مائي على نهر الدانوب، والبحر الأسود ، والبحر الأبيض المتوسط ، والمحيط الأطلسي ، والقناة الإنجليزية ، وبحر الشمال ، وأخيرًا نهر الراين إلى ليوبولدشافن بالقرب من كارلسروه. في نهاية سبتمبر 2006، تم تحميل الخزان على متن سفينة الدانوب تايفون ، وفي الخامس والعشرين من الشهر نفسه. و في نوفمبر 2006 سافر آخر 6.8 كيلومتر إلى مركز الأبحاث عبر ليوبولدشافن بواسطة شاحنة نقل ثقيلة منخفضة على الطريق في غضون أربع ساعات ونصف. تجارب مماثلة كلما انخفضت الطاقة المنبعثة أثناء تحلل بيتا، زادت دقة التجربة. يُعد تحلل التريتيوم ( ½⁺ ) إلى الهيليوم-3 ( ½⁺ ) عند طاقة 18.59 كيلو إلكترون فولت ، وهو أحد أقل أنواع التحلل طاقةً ويبلغ عمر النصف القابل للاستخدام 12 عامًا. تشمل تجارب الاضمحلال المعروفة ذات الطاقة المنخفضة ما يلي: الرينيوم-187 (5/2 + ) ⟶ الأوزميوم-187 (1/2 − ) بطاقة 2.492 كيلو إلكترون فولت ونصف عمر إشعاعه يبلغ 41 مليار سنة. هولميوم-163 (7/2 − ) ⟶ ديسبروسيوم-163 (5/2 − ) بطاقة 2.555 كيلو إلكترون فولت ونصف عمر إشعاعه يبلغ 4500 سنة. كلا النظيرين في مرحلة دراسة الجدوى. يُدرس الرينيوم بواسطة تجارب MARE-1 (اختصارًا لـ Microcalorimeter Arrays for a Rhenium Experiment )، وMANU، وMIBETA. ويُعدّ نشاطه المنخفض البالغ 1 بيكريل/ملغ مشكلة. ومع تحويل MARE تركيزه إلى الهولميوم، تُجري تجارب MARE-Ho، إلى جانب HOLMES وECHo (اختصارًا لـ Electron Capture in 163-Ho )، أبحاثًا حول الهولميوم أيضًا. كما يبحث الباحثون عن اضمحلالات محتملة أخرى ذات طاقات مناسبة. يجري مشروع 8 دراسة طريقة قياس بديلة، حيث تُجبر الإلكترونات المنبعثة من التريتيوم أثناء تحلل بيتا على اتخاذ مسارات حلزونية في الموقع باستخدام مجالات مغناطيسية قوية، مما يؤدي إلى انبعاث إشعاع سيكلوتروني، ومن تردده يمكن إعادة بناء طاقة الإلكترون الأصلية. لا يزال هذا المشروع في مرحلة البحث، ولكنه أثبت بالفعل الجدوى الأساسية لمبدأ القياس. يهدف مشروع بطليموس إلى رصد خلفية النيوترينو الكونية مباشرةً لأول مرة باستخدام عملية التقاط النيوترينو بواسطة التريتيوم. في مثل هذه الحالة، يمتلك الإلكترون المنبعث طاقة أعلى قليلاً مما هو ممكن في الاضمحلال الطبيعي، لأن النيوترينو الملتقط يحمل بعض الطاقة ولا ينبعث منه أي نيوترينو مضاد. حاليًا، تعتمد الخطة على استخدام مبدأ القياس نفسه المستخدم في المشروع 8 ، ولكن بدقة قياس أعلى بكثير، وهي مشكلة لا تزال قائمة. علاوة على ذلك، فإن ندرة هذه الأحداث تستلزم استخدام كمية كبيرة من التريتيوم (حوالي 100 غرام). اقرأ أيضا مشكلة نيوترينو الشمس تجربة أطلس تجربة سوبر كاميوكاندي مكشاف مصادم فيرميلاب إشعاع شيرنكوف مصفوف عدادات الميون والنيوترينو بالقطب الجنوبي المراجع تعاون كاتْرين: تقرير تصميم كاتْرين 2004. مركز كارلسروه للأبحاث، التقرير FZKA-7090 (2005)، ISSN [http://www.worldcat.org/issn/0947-8620 0947-8620 ] (ملف PDF متاح عبر الإنترنت ، مجاني، 249 صفحة، 9.3) (MB). يواكيم وولف: تجربة كاتْرين لقياس كتلة النيوترينو . في: الأدوات والأساليب النووية في بحوث الفيزياء ، المجلد 623 (2010)، الصفحات 442-444. (المؤتمر الدولي الأول حول التكنولوجيا والأجهزة في فيزياء الجسيمات). متاح عبر الإنترنت ، مدفوع. . arXiv:1906.10168. : الوسيط |title= غير موجود أو فارغ (مساعدة) . arXiv:1909.06069. : الوسيط |title= غير موجود أو فارغ (مساعدة) . arXiv:1909.06048. : الوسيط |title= غير موجود أو فارغ (مساعدة) . DOI:10.1126/science.adq9592. : الوسيط |title= غير موجود أو فارغ (مساعدة) روابط خارجية الصفحة الرئيسية لتجربة كاترين Video von Transport und Ankunft des KATRIN-Hauptspektrometers على Galileo-Reportage über den Betrieb von KATRIN nach der Eröffnung على مراجع للقراءة