bir Fiziksel İnceleme Mektupları HOLMES işbirliği, %90 güvenilirlikle 27 eV/c²’den daha düşük bir sınır belirleyerek, kalorimetrik bir yaklaşım kullanılarak şimdiye kadar elde edilen etkili elektron nötrino kütlesi üzerinde en sıkı üst sınırı elde etti.
Bu sonuç, onlarca yıllık deneysel vizyonu doğruluyor ve yeni nesil nötrino kütle deneyleri için gereken ölçeklenebilirliği gösteriyor.
Salınım deneyleri nötrino kütle durumları arasındaki farkları ölçmüş olsa da, gerçek bireysel kütle değerleri (mutlak nötrino kütle ölçeği) hala bilinmiyor. Bu değerleri belirlemek parçacık fiziğinin Standart Modelini anlamamızı tamamlamaya yardımcı olacaktır.
Nükleer beta bozunumlarında yalnızca enerji ve momentum korunumuna dayanan doğrudan kinematik ölçümler, bu temel soruya modelden en bağımsız yaklaşımı sağlar. HOLMES deneyi, ilk kez 40 yıl önce önerilen bir teknik olan holmiyum-163’ün (¹⁶³Ho) elektron yakalama bozunumunu ölçmek için düşük sıcaklık mikrokalorimetrisini kullanıyor.
CEİD, Milano-Bicocca Üniversitesi Fizik Bölümü Profesörü ve uluslararası HOLMES deneyinin sözcüsü Angelo Nucciotti ile konuştu.
Nucciotti, “Bu çalışmaya olan tutkum, 1990’larda, Profesör Ettore Fiorini tarafından termal dedektörler dünyasıyla tanıştırıldığım doktora derecem sırasında başladı” dedi.
“Fiorini, bu dedektörlerin nötrino kütlesinin ölçümü de dahil olmak üzere nadir olaylar için kullanılmasını ilk kez öneren gerçek bir öncüydü. Şimdi, 30 yılı aşkın bir çabanın ardından, bu sonucun holmium-163 üzerinde yayınlanması, bu orijinal vizyonun uzun vadede uygulanabilirliğini kanıtlıyor.”
Kalorimetrik yaklaşım nasıl çalışır?
Mikrokalorimetreler, parçacıklar emildiğinde meydana gelen küçük sıcaklık değişikliklerini tespit ederek enerjiyi ölçen mikroskobik cihazlardır.
HOLMES deneyi, bir ³He/⁴He seyreltme buzdolabında yaklaşık 95 mK’de çalıştırılan 64 geçiş kenarı sensörü (TES) mikrokalorimetresinden oluşan bir dizi kullanır. ¹⁶³Ho çekirdekleri, bu ultra duyarlı süper iletken dedektörlerin altın soğurucularına doğrudan iyon implante edilir.
Holmiyum-163 elektron yakalama bozunumuna uğradığında, nötrino tarafından taşınan kısım dışında açığa çıkan enerji altın katman tarafından emilir. Soğurucunun ısı kapasitesi millikelvin sıcaklıklarda çok küçük olduğundan, tek bir bozunmadan kaynaklanan küçük enerji bile ölçülebilir bir sıcaklık artışına neden olur.
Nucciotti, “Temel prensip basittir: Holmiyum bozunumunda açığa çıkan enerji, altın emiciye çarparak sıcaklığının artmasına neden olur” diye açıkladı. “TES termometresi, tam olarak süperiletken geçiş bölgesinde tutulduğunda, bu sıcaklık artışını, salınan enerjiyle orantılı olan elektrik direncinde ve akımında keskin bir değişiklik olarak ölçer.”
Nötrino kütlesinin imzası, bozunum spektrumunun uç noktası olan tespit edilen maksimum enerjide buna karşılık gelen bir azalma olarak görünür. Araştırmacılar, spektrumun bu üst ucunu hassas bir şekilde ölçerek nötrinonun kütlesini belirleyebilirler.
Holmium-163, yaklaşık 2.863 eV’lik düşük Q değeri sayesinde bu ölçüm için idealdir. Bozunmada mevcut olan toplam enerji (Q değeri) daha az olduğundan, nötrino kütle imzası spektrumda daha belirgin hale gelir. Ek olarak, yaklaşık 4.750 yıllık yarılanma ömrü, diğer adaylara göre daha yüksek spesifik aktivite sağlar ve bu da onu mikrokalorimetrelerde kullanıma daha uygun hale getirir.
Hassasiyeti etkinleştirme
Bu deneyin başarısını sağlayan yeniliklerden biri ölçeklenebilir mikrodalga çoklamalı okuma sistemidir. 64 dedektör, sinyallerini 4–8 GHz aralığında farklı frekanslarda kodlayarak okuma altyapısını paylaşmalarına olanak tanıyor. Bu, birden fazla radyo istasyonunun aynı anda ayrı kanallarda yayın yapmasına benzer.
Bu frekans çoğullaması, binlerce dedektör gerektiren gelecekteki deneyler için gereklidir.
Dedektörler, 6 eV’lik ortalama enerji çözünürlüğüne ulaştı; bu, nötrino kütle imzalarının görüneceği bozunma uç noktası yakınındaki ayrıntılı spektral özellikleri çözümlemeye yetecek kadar hassastı. Temel olarak içsel dedektör gürültüsüyle sınırlı olan bu hassasiyet seviyesi, nötrinoların kütlesini ölçmek için kalorimetrik yaklaşımın uygulanabilirliğini göstermektedir.
¹⁶³Ho kaynağını üretmek ve hazırlamak kendi zorluklarını ortaya çıkardı. İzotop doğada mevcut değildir ve bir nükleer reaktörde üretilmelidir; bu, özellikle sorunlu ¹⁶⁶ᵐHo kirletici madde olmak üzere karmaşık bir radyoaktif yan ürün karışımı oluşturur.
Nucciotti, “İlk olarak, holmiyumu diğer nadir toprak elementlerinin yüksek radyoaktif izotoplarından ayırmak için reçine bazlı teknikler kullanılarak özel bir kimyasal saflaştırma gerçekleştirilir” diye açıkladı.
“Daha sonra, özel olarak oluşturulmuş bir implantasyon sistemi, kütlesine bağlı olarak doğru izotopu (¹⁶³Ho) seçer ve onu tam olarak dedektör emicilerine yerleştirir. ¹⁶³Ho son derece nadir ve değerli olduğundan, bu makinenin minimum kayıpla çalışması gerekiyordu.”
Üst sınır belirleme
Nucciotti, “Sadece iki ayda ¹⁶³Ho’dan 70 milyon bozunma olayının kaydedilmesi, on yıldan fazla süren teknik gelişimin doruk noktasıydı” dedi. “Son ölçüm basit görünse de deneyin her bileşeninin sınırlarının zorlanması gerekiyordu.”
Verileri analiz etmek için araştırmacılar, 2.250 ila 3.500 eV arasındaki ilgili bölgede analiz edilen spektrumla Poisson olasılığını kullanarak Bayesian parametre tahminini kullandılar. Bu yöntem, tahmin edilen ve gözlemlenen veri modellerini karşılaştırarak bilinmeyen parametreler için en olası değerleri bulur.
Ekip, elektron nötrinosunun kütlesinin %90 güvenilirlikle 27 eV/c²’nin altında olması gerektiğini buldu. İstatistiksel açıdan bu, araştırmacıların bunun kütlenin gerçek üst sınırını temsil ettiğinden %90 emin olabileceği anlamına gelir.
Monte Carlo simülasyonları analiz yaklaşımını doğruladı ve potansiyel sistematik etkilerin mevcut istatistiksel belirsizliklerle karşılaştırıldığında ihmal edilebilir düzeyde kaldığını gösterdi.
Nucciotti, “Bu sonuç, gerçekten ölçeklenebilir bir kalorimetrik yaklaşım kullanılarak şimdiye kadar elde edilen en katı sınırı belirliyor; holmiyum bazlı teknolojinin gelecekteki deneyler için uygulanabilirliğini ve olgunluğunu kesin olarak doğrulayan bir kilometre taşı” dedi.
“Şu anda en iyi sınır, elektron antinötrinosunu inceleyen KATRIN’den (≈ 0,45 eV/c²) geliyor. Ancak KATRIN teknik sınırına ulaşıyor.”
Deneyler temelde farklılık gösteriyor: KATRIN, trityum beta bozunumunu analiz ederek elektron antinötrinosunu ölçerken, HOLMES, elektron yakalama bozunumunu inceleyerek elektron nötrino kütlesini belirliyor.
Bu bağımsız sonuçların karşılaştırılması, nötrino ve antinötrino kütlelerinin aynı olmasını gerektiren CPT (Yük-Parite-Zaman) simetrisinin kritik bir testini sağlar. Herhangi bir tutarsızlık, Standart Modelin ötesinde bir fiziğe işaret eder.
Gelecek neler getirecek
Önemi bu sonucun ötesindedir. Teknolojinin kanıtlanmış ölçeklenebilirliği, nihai hedefe doğru net bir yol sağlar: eV altı hassasiyet.
Nucciotti, “Bu başarı, HOLMES için, eV altı aralıkta nihai hedef hassasiyetine ulaşmak için büyük ölçeklendirmeye odaklanan yeni bir aşamanın başlangıcını işaret ediyor” dedi.
“Holmiyum-163 kalorimetrisine dayanan yaklaşımımız, uzun vadede duyarlılığı mevcut teknolojinin ötesine taşımayı vaat eden geniş bir büyüme ve ölçeklenebilirlik perspektifi sunuyor.”
Gelecekteki ilerleme, gelişmiş dedektör üretimi ve sinyal okuma tekniklerinden yararlanacaktır. Hassasiyet arttıkça, dedektörlerin içindeki holmiyum atomlarının ortamına ilişkin sistematik belirsizlikler özel bir araştırma gerektirecektir.
Sizin için yazarımız Tejasri Gururaj tarafından yazılan, Sadie Harley tarafından düzenlenen ve Robert Egan tarafından doğrulukları kontrol edilen ve gözden geçirilen bu makale, insanların dikkatli çalışmasının sonucudur. Bağımsız bilim gazeteciliğini canlı tutmak için sizin gibi okuyuculara güveniyoruz. Bu raporlama sizin için önemliyse lütfen bağış yapmayı düşünün (özellikle aylık). Bir alacaksın reklamsız bir teşekkür olarak hesaplayın.
