物理学者は、電子のような荷電粒子が磁場内でらせん状になり、放射線を放出することを長い間知っていました。しかし、これまで、渦を巻く単一の電子から発せられる電波を検出した人はいませんでした。研究者が使用していた驚くべき新しい技術は、いつの日か素粒子物理学者が何十年も悩まされてきた質問に答えるのに役立つかもしれません:ニュートリノと呼ばれる幽霊のような粒子の重さはどれくらいですか?
ドイツのカールスルーエ工科大学の天体素粒子物理学者である Guido Drexlin は、「これはそれ自体が大きな成果であり、この技術が徐々に発展するのを楽しみにしています」と述べています。 /P>
この実験を理解するために、電子が垂直磁場の中を水平に飛んでいるとします。速度とフィールドの強さの両方に比例する横向きの力が発生します。その絶え間ない横への突き出しにより、電子は円を描くように走ります (図を参照)。しかし、その回転によって、電子が電磁波を放射することにもなります。これは、濡れたふきんを頭上で回転させると、水滴が飛び散るのと同じです。もちろん、放射線は電子のエネルギーを吸収するので、徐々に内側に螺旋状になります.
この効果は 1 世紀にわたって理解されてきました。これは、シンクロトロンとして知られる円形の粒子加速器の周りに電子を飛ばして X 線ビームを生成するために使用されます。このような放射線は、星間空間で渦巻く粒子からも発せられます。現在、27 人の物理学者がプロジェクト 8 (シアトルのワシントン大学を拠点とする実験) で、単一の電子からの放射線を検出しました。ワシントン州リッチランドにあるパシフィック ノースウェスト国立研究所の核物理学者でチーム メンバーのブレント ヴァンデベンダーは、「誰かがこれをやったに違いないと思いました」と述べています。 「私は文献を見て探しましたが、何も見つかりませんでした。」
プロジェクト 8 のチームは、100 万分の 1 ナノワットの信号を検出するために、一定のエネルギーを持つ電子源、放射線を収集する手段、および信号を感知するための超高感度増幅器を必要としていました。電子を取得するために、彼らは金属ルビジウム 83 でコーティングされたビーズから始めました。ルビジウム 83 は放射性崩壊を受けてクリプトン 83 ガスを生成します。研究者は、ガスを指サイズのセルに閉じ込めました。攪拌された各クリプトン原子核は内部再構築を受け、原子は特定のエネルギーで電子を追い出しました。
電子は、超伝導磁石によって提供される磁場内を周回し、放射します。重要なことに、それが周回するセルは「ウェーブ ガイド」でした。これは、適切な周波数範囲（25 ギガヘルツから 27 ギガヘルツ）の電磁波を一連の低ノイズ アンプに運ぶように設計された一種のパイプラインです。チームは、単一の電子からの放射を数ミリ秒間追跡することができました。これは、研究者が今週 で報告しているように、電子が内側にらせん状に進むにつれて周波数が徐々に増加するのを確認するのに十分な長さです。フィジカル レビュー レター .
素粒子物理学者は、電子のエネルギーに比例して光を放出する結晶に衝突するのを見ることによって、単一電子のエネルギーを長い間測定することができました。しかし、これらの技術は一般的に電子を吸収する、と VanDevender は指摘する。新しい方法は、電子を吸収することなく「非破壊的に」電子のエネルギーを測定する方法を開きます。
プロジェクト 8 のチームは、この技術を使って、ニュートリノとして知られるまだ謎に包まれた粒子の質量を測定したいと考えている、と VanDevender は言う。彼らは、1 つの陽子と 2 つの中性子を含むトリチウム原子核の研究を計画しています。ニュートリノと電子を放出しながら、1つの中性子が陽子に変わるベータ崩壊と呼ばれるプロセスを経ます。ほとんど検出できないニュートリノと電子は崩壊で放出されたエネルギーを共有し、分割は崩壊ごとにランダムに変化します。電子の最大エネルギーを測定することにより、研究者はニュートリノの最小エネルギー、ひいてはニュートリノの質量を推定することができます。
物理学者は、ニュートリノの質量が少なくとも 50 ミリ電子ボルト (meV)、つまり電子の質量の約 1/10,000,000 でなければならないことを知っています。これは、ニュートリノが生成された方法に応じて、3 つの異なるタイプまたはフレーバーがあり、異なるフレーバーが互いに変形する可能性があるためです。このような「ニュートリノ振動」は、異なるフレーバーが異なる質量を持つ場合にのみ可能です。同時に、宇宙の進化に関する研究は、ニュートリノの質量が 230 meV 未満であることを示唆しています。しかし、これまでのところ、何十年にもわたる努力にもかかわらず、ベータ崩壊の直接測定では、ニュートリノの重量が 2000 meV 未満であることしか示されていません。
しかし近い将来、カールスルーエ トリチウム ニュートリノ実験 (KATRIN) の物理学者は、より従来の技術を使用してトリチウム測定の感度を 10 倍にすることを計画しています。来年にはデータの収集を開始する必要があると、KATRIN チームの共同スポークスマンである Drexlin は述べています。 「[Project 8] は KATRIN と競合するものではなく、それを超える将来の可能性があると考えています」と Drexlin 氏は言います。それでも彼は、Project 8 チームの多くのメンバーは KATRIN チームのメンバーでもあり、将来的には 2 つの手法が組み合わされる可能性があると述べています。
*訂正、4 月 22 日午前 11 時 43 分: 図は磁場の正しい方向を示すように変更されました.
