Κατασκοπεύοντας τις ραδιοεκπομπές ενός μοναχικού ηλεκτρονίου

Για πρώτη φορά, ερευνητές του MIT κατάφεραν να ανιχνεύσουν τα ραδιοκύματα ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου -ένα εντυπωσιακό επίτευγμα που ίσως ανοίγει το δρόμο για την απάντηση ενός κρίσιμου ερωτήματος για τα φευγαλέα σωματίδια νετρίνα.

To ηλεκτρόνιο (κόκκινο) κινείται σπειροειδώς γύρω από τις γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου (γαλάζιο) και εκπέμπει φωτόνια (πράσινο), δηλαδή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία

Το φαινόμενο

Οι φυσικοί γνωρίζουν εδώ και καιρό ότι τα φορτισμένα σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια ακολουθούν σπειροειδείς τροχιές και εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία -ραδιοκύματα στη συγκεκριμένη περίπτωση. Το φαινόμενο ονομάζεται ακτινοβολία κύκλοτρου και αξιοποιείται σήμερα σε πολλές εφαρμογές όπως η παραγωγή ακτίνων Χ.

Καθώς εκπέμπουν ακτινοβολία, τα σωματίδια σταδιακά χάνουν ενέργεια και κινούνται σε ολοένα και πιο κλειστές τροχιές. Παράλληλα, η συχνότητα της ακτινοβολίας αυξάνεται. Οι ερευνητές του προγράμματος «Project 8» στο MIT μελέτησαν ηλεκτρόνια που παράγονται όταν το μέταλλο ρουβίδιο-83 υφίσταται ραδιενεργή διάσπαση και μετατρέπεται σε αέριο κρυπτό-83. Κατά την απελευθέρωσή τους τα ηλεκτρόνια έχουν συγκεκριμένη ενέργεια, και οι ερευνητές γνώριζαν πως, αν τα οδηγούσαν σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα ραδιοκύματά των ηλεκτρονίων θα είχαν συγκεκριμένη συχνότητα.

«Είναι η ίδια συχνότητα που χρησιμοποιείται στις στρατιωτικές επικοινωνίες -26 gigahertz» σχολιάζει ο Τζο Φορμάτζιο, επίκουρος καθηγητής Φυσικής στο MIT και μέλος της ερευνητικής ομάδας. Τα ηλεκτρόνια που προέκυψαν από τη διάσπαση του ρουβιδίου οδηγήθηκαν σε έναν μικρό θάλαμο εκτεθειμένο σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο.

Το επίτευγμα

Ο ανιχνευτής που συναρμολόγησαν οι ερευνητές μπόρεσε να καταγράψει τις ραδιοεκπομπές μεμονωμένων ηλεκτρονίων για χρονικό διάστημα αρκετών millisecond, αρκετά για να δει τη συχνότητα της ακτινοβολίας να αυξάνεται καθώς τα ηλεκτρόνια κινούνταν στις σπειροειδείς, όλο και πιο κλειστές, τροχιές τους.

Είναι ένα εντυπωσιακό επίτευγμα, καθώς η ισχύς της ακτινοβολίας που ανιχνεύθηκε ήταν της τάξης του ενός τετράκις εκατομμυριοστού του watt. Τα αποτελέσματα δημοσιεύονται στην επιθεώρηση «Physical Review Letters».

H αλήθεια είναι ότι η ενέργεια μεμονωμένων ηλεκτρονίων έχει μετρηθεί και στο παρελθόν, όπως επισημαίνει ο δικτυακός τόπος του περιοδικού Science. Σε αυτές τις περιπτώσεις όμως τα ηλεκτρόνια ουσιαστικά απορροφούνταν, ενώ με τη νέα τεχνική δεν καταστρέφονται στη διαδικασία. Όπως επισημαίνουν οι ερευνητές σε ανακοίνωσή τους, η νέα τεχνική θα μπορούσε να επιτρέψει στους φυσικούς να απαντήσουν σε ένα ερώτημα που τους βασανίζει εδώ και δεκαετίες: ποια είναι η μάζα των νετρίνων;

Τα νετρίνα

Δισεκατομμύρια νετρίνα περνούν κάθε δευτερόλεπτο μέσα από το σώμα μας και διαπερνούν τη Γη χωρίς να γίνονται αντιληπτά, καθώς δεν καταδέχονται να αλληλεπιδράσουν με την κανονική ύλη. Τα νετρίνα έρχονται σε διάφορες ποικιλίες, ή «γεύσεις», οι οποίες μπορούν μυστηριωδώς να μεταμορφώνονται η μία στην άλλη.

Επόμενος στόχος των ερευνητών είναι να εφαρμόσουν την ίδια τεχνική στο τρίτιο, ένα ισότοπο του υδρογόνου του οποίου ο πυρήνας περιέχει ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια. Το τρίτιο υφίσταται βήτα ραδιενεργή διάσπαση, κατά την οποία το ένα νετρόνιο μεταμορφώνεται σε πρωτόνιο και εκπέμπει ταυτόχρονα ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο.

Το άθροισμα της ενέργειας του νετρίνου και του ηλεκτρονίου πρέπει να ισούται με τη συνολική ενέργεια που απελευθερώθηκε κατά τη ραδιενεργή διάσπαση. Και αυτό σημαίνει ότι, αν οι ερευνητές καταφέρουν να μετρήσουν την ενέργεια του ηλεκτρονίου κρυφακούγοντας τις ραδιοεκπομπές του μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, θα μπορέσουν επιτέλους να υπολογίσουν την ενέργεια, και επομένως τη μάζα, των νετρίνων.

Αυτός είναι εξάλλου ο στόχος ενός διαφορετικού ερευνητικού προγράμματος που ξεκινά στην Καρλσρούη της Γερμανίας, βασισμένο στον ανιχνευτή Katrin, ο οποίος θα απορροφά τα ηλεκτρόνια. Παραμένει άγνωστο ποιο πείραμα, το Katrin ή το Project 8, θα απαντήσει πρώτο στο ερώτημα. Μια βασική διαφορά είναι πάντως ότι ο ανιχνευτής Katrin καταλαμβάνει ένα ολόκληρο εργαστήριο, ενώ ο ανιχνευτής ραδιοκυμάτων χωράει στον πάγκο του εργαστηρίου. Οι δύο ερευνητικές ομάδες συνεργάζονται τώρα για την επιτάχυνση των μελετών.