Когда газ распадается и испускает электроны, детектор использует магнит, чтобы удерживать их в магнитной бутылке. Затем радиоантенна улавливает очень слабые сигналы, излучаемые электронами, которые можно использовать для отображения точной активности электронов в течение нескольких миллисекунд.
Команда работала с исследователями из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Вашингтонского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) и других мест, чтобы зарегистрировать активность более 100000 отдельных электронов в газе криптона.
Большинство наблюдаемых электронов вели себя по характерному образцу: когда радиоактивный газ криптон распадается, он испускает электроны, которые колеблются с базовой частотой, прежде чем исчезнуть; эта частота снова возрастает всякий раз, когда электрон попадает в атом радиоактивного газа. Когда электронный пинг-понг сталкивается с несколькими атомами в детекторе, кажется, что его энергия скачкообразно скачкообразна.
«Мы можем буквально изобразить частоту электрона и видим, как этот электрон внезапно попадает в нашу радиоантенну», – говорит Джо Формаджо, доцент физики Массачусетского технологического института. "Со временем частота меняется и на самом деле щебечет.
Итак, эти электроны щебечут в радиоволнах."
Формаджо говорит, что результаты группы, опубликованные в Physical Review Letters, являются большим шагом к более труднодостижимой цели: измерению массы нейтрино.
Призрачная частица
Нейтрино – одни из самых загадочных элементарных частиц во Вселенной: миллиарды их проходят через каждую клетку нашего тела каждую секунду, и все же эти призрачные частицы невероятно трудно обнаружить, поскольку они, кажется, не взаимодействуют с обычной материей. Ученые установили теоретические ограничения на массу нейтрино, но исследователям еще предстоит ее точно обнаружить.
«Мы загнали [массу] в угол, но еще не измерили ее», – говорит Формаджо. "Название игры – измерить энергию электрона – это ваша подпись, которая говорит вам о нейтрино."
Как объясняет Формаджо, когда радиоактивный атом, такой как тритий, распадается, он превращается в изотоп гелия и при этом также высвобождает электрон и нейтрино. Энергия всех выпущенных частиц суммируется с исходной энергией родительского нейтрона.
Следовательно, измерение энергии электрона может пролить свет на энергию – и, следовательно, массу – нейтрино.
Ученые согласны с тем, что тритий, радиоактивный изотоп водорода, является ключом к точным измерениям: как газ, тритий распадается с такой скоростью, что ученые могут относительно легко наблюдать его электронные побочные продукты.
Исследователи из Карлсруэ, Германия, надеются измерить электроны в тритии с помощью массивного спектрометра в рамках эксперимента под названием KATRIN (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment).
Электроны, образующиеся при распаде трития, проходят через спектрометр, который фильтрует их в соответствии с их различными уровнями энергии. Эксперимент, который только начинается, может дать измерения отдельных электронов, но за дополнительную плату.
«В KATRIN электроны обнаруживаются в кремниевом детекторе, что означает, что электроны врезаются в кристалл, и происходит множество случайных вещей, по существу уничтожающих электроны», – говорит Дэниел Фурс, аспирант по физике и соавтор. автор статьи. "Мы по-прежнему хотим измерять энергию электронов, но делаем это неразрушающим способом."
У группы есть дополнительное преимущество: размер.
Детектор по существу помещается на столе, а пространство, в котором обнаруживаются электроны, меньше, чем на почтовой марке. Напротив, спектрометр KATRIN при доставке в Карлсруэ с трудом проходил по улицам города.
Настройка в
Детектор Ферса и Формаджо – эксперимент под названием «Проект 8» – основан на многолетнем явлении, известном как циклотронное излучение, при котором заряженные частицы, такие как электроны, излучают радиоволны в магнитном поле. Оказывается, электроны излучают это излучение с частотой, аналогичной частоте военной радиосвязи.
«Это та же частота, которую используют военные – 26 гигагерц», – говорит Формаджо. "И оказалось, что базовая частота меняется очень незначительно, если у электрона есть энергия. Итак, мы сказали: «Почему бы не посмотреть на излучение [электроны], испускаемое напрямую??’"
Формаджо и бывший постдок Бенджамин Монреаль, ныне доцент кафедры физики в UCSB, рассуждали, что если бы они могли настроиться на эту базовую частоту, они могли бы ловить электроны, когда они вылетают из распадающегося радиоактивного газа, и измерять их энергию в магнитном поле.
«Если бы вы могли измерить частоту этого радиосигнала, вы могли бы измерить энергию гораздо точнее, чем с помощью любого другого метода», – говорит Ферс. "Проблема в том, что вы смотрите на этот действительно слабый сигнал в течение очень короткого промежутка времени, и его трудно увидеть, поэтому никто никогда не делал этого раньше."
Потребовалось пять лет непрерывных испытаний, прежде чем группа наконец смогла создать точный детектор. Как только исследователи включили детектор, они смогли регистрировать отдельные электроны в течение первых 100 миллисекунд эксперимента, хотя анализ занял немного больше времени.
«Наше программное обеспечение так медленно обрабатывало вещи, что мы могли сказать, что происходят забавные вещи, потому что внезапно размер нашего файла стал больше, поскольку эти вещи начали появляться», – вспоминает Формаджо.
Он говорит, что точность измерений, полученных до сих пор в газе криптона, побудила команду перейти к тритию – цель, которую, по словам Формаджо, может быть достигнута в ближайшие год или два, – и проложить путь к измерению массы нейтрино.