En neutrino er en elementær partikel, der minder meget om en elektron, men som ikke har nogen elektrisk ladning. Den har en meget lille masse, som måske endda er nul. Neutrinoens hastighed afhænger også af massen. Forskellen i ankomsttiden for partikler og lys er 0,0006 % (± 0,0012 %). I 2011, under OPERA-eksperimentet, fandt man ud af, at neutrinoers hastighed overstiger lysets hastighed, men uafhængig erfaring bekræftede ikke dette.
Den undvigende partikel
Dette er en af de mest almindelige partikler i universet. Da det interagerer meget lidt med stof, er det utroligt svært at opdage. Elektroner og neutrinoer deltager ikke i stærke nukleare interaktioner, men deltager i lige så høj grad i svage. Partikler med disse egenskaber kaldes leptoner. Ud over elektronen (og dens antipartikel, positronen), omfatter ladede leptoner myonen (200 elektronmasser), tauen (3500 elektronmasser) og deres antipartikler. De kaldes således: elektron-, muon- og tau-neutrinoer. De har hver en anti-materiale komponent kaldet en antineutrino.
Muon og tau, som en elektron, har partikler, der ledsager dem. Disse er muon og tau neutrinoer. De tre typer partikler er forskellige fra hinanden. For eksempel, når myonneutrinoer interagerer med et mål, producerer de altid myoner, aldrig tau eller elektroner. I samspillet mellem partikler, selvom elektroner og elektron-neutrinoer kan skabes og ødelægges, forbliver deres sum uændret. Dette faktum fører til opdelingen af leptoner i tre typer, som hver har en ladet lepton og en ledsagende neutrino.
Meget store og ekstremt følsomme detektorer er nødvendige for at detektere denne partikel. Typisk vil lavenergineutrinoer rejse mange lysår, før de interagerer med stof. Som følge heraf er alle jordbaserede eksperimenter med dem afhængige af måling af deres lille fraktion, der interagerer med optagere af rimelig størrelse. For eksempel ved Sudbury Neutrino Observatory, der indeholder 1000 tons tungt vand, passerer omkring 1012 solneutrinoer i sekundet gennem detektoren. Og der findes kun 30 om dagen.
Opdagelseshistorik
Wolfgang Pauli postulerede første gang eksistensen af en partikel i 1930. Der opstod et problem på det tidspunkt, fordi det så ud til, at energi og vinkelmomentum ikke blev bevaret i beta-henfald. Men Pauli bemærkede, at hvis en ikke-interagerende neutral neutrinopartikel udsendes, så vil loven om bevarelse af energi blive overholdt. Den italienske fysiker Enrico Fermi udviklede teorien om beta-henfald i 1934 og gav partiklen dens navn.
På trods af alle forudsigelserne kunne neutrinoer i 20 år ikke opdages eksperimentelt på grund af deres svage interaktion med stof. Da partiklerne ikke er elektriskeladede, påvirkes de ikke af elektromagnetiske kræfter, og derfor forårsager de ikke ionisering af stof. Derudover reagerer de kun med stof gennem svage interaktioner af ubetydelig styrke. Derfor er de de mest gennemtrængende subatomære partikler, der er i stand til at passere gennem et stort antal atomer uden at forårsage nogen reaktion. Kun 1 ud af 10 milliarder af disse partikler, der bevæger sig gennem stof en afstand svarende til Jordens diameter, reagerer med en proton eller neutron.
Endelig, i 1956, annoncerede en gruppe amerikanske fysikere under ledelse af Frederick Reines opdagelsen af elektron-antineutrino. I hendes eksperimenter interagerede antineutrinoer udsendt fra en atomreaktor med protoner for at danne neutroner og positroner. De unikke (og sjældne) energisignaturer af disse seneste biprodukter giver bevis for partiklens eksistens.
Opdagelsen af ladede muonleptoner blev udgangspunktet for den efterfølgende identifikation af den anden type neutrino - myon. Deres identifikation blev udført i 1962 baseret på resultaterne af et eksperiment i en partikelaccelerator. Højenergiske muoniske neutrinoer blev produceret ved henfald af pi-mesoner og sendt til detektoren på en sådan måde, at deres reaktioner med stof kunne studeres. Selvom de er ikke-reaktive, ligesom andre typer af disse partikler, har det vist sig, at i de sjældne tilfælde, hvor de reagerer med protoner eller neutroner, danner muon-neutrinoer myoner, men aldrig elektroner. I 1998, amerikanske fysikere Leon Lederman, Melvin Schwartz og Jack Steinbergermodtog Nobelprisen i fysik for identifikation af muon-neutrino.
I midten af 1970'erne blev neutrinofysikken genopfyldt med en anden type ladede leptoner - tau. Tau neutrino og tau antineutrino viste sig at være forbundet med denne tredje ladede lepton. I 2000, fysikere ved National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporterede det første eksperimentelle bevis for eksistensen af denne type partikel.
Messe
Alle typer neutrinoer har en masse, der er meget mindre end deres ladede modstykker. For eksempel viser forsøg, at elektron-neutrino-massen skal være mindre end 0,002 % af elektronmassen, og at summen af masserne af de tre arter skal være mindre end 0,48 eV. I mange år så det ud til, at massen af en partikel var nul, selvom der ikke var noget overbevisende teoretisk bevis for, hvorfor det skulle være sådan. Så i 2002 leverede Sudbury Neutrino Observatory det første direkte bevis på, at elektronneutrinoer udsendt af kernereaktioner i Solens kerne ændrer type, når de rejser gennem den. Sådanne "oscillationer" af neutrinoer er mulige, hvis en eller flere typer partikler har en lille masse. Deres undersøgelser af samspillet mellem kosmiske stråler i jordens atmosfære indikerer også tilstedeværelsen af masse, men yderligere eksperimenter er påkrævet for at bestemme den mere nøjagtigt.
Kilder
Naturlige kilder til neutrinoer er det radioaktive henfald af grundstoffer i jordens tarme, hvoren stor strøm af lavenergielektroner-antineutrinoer udsendes. Supernovaer er også et overvejende neutrinofænomen, da kun disse partikler kan trænge igennem det supertætte materiale, der produceres i en kollapsende stjerne; kun en lille del af energien omdannes til lys. Beregninger viser, at omkring 2 % af Solens energi er energien fra neutrinoer, der produceres i termonuklear fusionsreaktioner. Det er sandsynligt, at det meste af det mørke stof i universet består af neutrinoer produceret under Big Bang.
Fysiske problemer
Fagerne relateret til neutrinoer og astrofysik er forskellige og udvikler sig hurtigt. De aktuelle spørgsmål, der tiltrækker et stort antal eksperimentelle og teoretiske indsatser, er som følger:
- Hvad er masserne af forskellige neutrinoer?
- Hvordan påvirker de Big Bang-kosmologien?
- Svinger de?
- Kan neutrinoer af én type forvandle sig til en anden, når de rejser gennem stof og rum?
- Er neutrinoer fundament alt forskellige fra deres antipartikler?
- Hvordan kollapser stjerner og danner supernovaer?
- Hvad er neutrinoers rolle i kosmologi?
Et af de mangeårige problemer af særlig interesse er det såkaldte solneutrinoproblem. Dette navn henviser til det faktum, at der under adskillige jordbaserede eksperimenter udført i løbet af de sidste 30 år, konsekvent blev observeret færre partikler end nødvendigt for at producere energi udsendt af solen. En af dens mulige løsninger er oscillation, dvs. transformationen af elektroniskneutrinoer til muoner eller tau, mens de rejser til Jorden. Da det er meget sværere at måle lavenergi-myoner eller tau-neutrinoer, kan denne form for transformation forklare, hvorfor vi ikke observerer det korrekte antal partikler på Jorden.
Fjerde Nobelpris
Nobelprisen i fysik 2015 blev tildelt Takaaki Kajita og Arthur McDonald for deres opdagelse af neutrinomassen. Dette var den fjerde sådan pris relateret til eksperimentelle målinger af disse partikler. Nogle vil måske undre sig over, hvorfor vi skulle bekymre os så meget om noget, der knap nok interagerer med almindeligt stof.
Selve det faktum, at vi kan opdage disse flygtige partikler, er et vidnesbyrd om menneskelig opfindsomhed. Da kvantemekanikkens regler er sandsynlige, ved vi, at selvom næsten alle neutrinoer passerer gennem Jorden, vil nogle af dem interagere med den. En detektor, der er stor nok til at registrere dette.
Den første sådan enhed blev bygget i tresserne dybt inde i en mine i South Dakota. Minen var fyldt med 400 tusinde liter rensevæske. I gennemsnit interagerer en neutrinopartikel hver dag med et kloratom og omdanner det til argon. Utroligt nok kom Raymond Davis, der var ansvarlig for detektoren, på en måde at detektere disse få argonatomer på, og fire årtier senere, i 2002, blev han tildelt Nobelprisen for denne fantastiske tekniske bedrift.
Ny astronomi
Fordi neutrinoer interagerer så svagt, kan de rejse store afstande. De giver os mulighed for at se ind på steder, som vi ellers aldrig ville se. De neutrinoer, Davis opdagede, blev produceret af kernereaktioner, der fandt sted i midten af Solen, og var kun i stand til at undslippe dette utroligt tætte og varme sted, fordi de næsten ikke interagerer med andet stof. Det er endda muligt at opdage en neutrino, der flyver fra midten af en eksploderende stjerne over hundrede tusinde lysår fra Jorden.
Desuden gør disse partikler det muligt at observere universet i en meget lille skala, meget mindre end hvad Large Hadron Collider i Genève, som opdagede Higgs-bosonen, kan se ind i. Det er af denne grund, at Nobelkomiteen besluttede at tildele Nobelprisen for opdagelsen af endnu en type neutrino.
Mystisk savnet
Da Ray Davis observerede solneutrinoer, fandt han kun en tredjedel af det forventede antal. De fleste fysikere mente, at årsagen til dette var et dårligt kendskab til Solens astrofysik: måske overvurderede modeller af stjernens indre antallet af neutrinoer produceret i den. Men i årenes løb fortsatte mangelen, selvom solcellemodellerne blev forbedret. Fysikere henledte opmærksomheden på en anden mulighed: problemet kunne være relateret til vores forståelse af disse partikler. Ifølge den dengang herskende teori havde de ingen masse. Men nogle fysikere har hævdet, at partiklerne faktisk havde et uendeligt lillemasse, og denne masse var årsagen til deres mangel.
Tresidet partikel
Ifølge teorien om neutrinoscillationer er der tre forskellige typer neutrinoer i naturen. Hvis en partikel har masse, kan den skifte fra en type til en anden, når den bevæger sig. Tre typer - elektron, muon og tau - kan, når de interagerer med stof, omdannes til den tilsvarende ladede partikel (elektron, muon eller taulepton). "Oscillation" opstår på grund af kvantemekanik. Typen af neutrino er ikke konstant. Det ændrer sig over tid. En neutrino, der begyndte sin eksistens som en elektron, kan blive til en myon og derefter tilbage. Således kan en partikel dannet i Solens kerne, på vej til Jorden, med jævne mellemrum blive til en muon-neutrino og omvendt. Da Davis-detektoren kun kunne detektere elektronneutrinoer, der var i stand til at føre til nuklear transmutation af klor til argon, så det ud til, at de manglende neutrinoer var blevet til andre typer. (Som det viser sig, oscillerer neutrinoer inde i Solen, ikke på vej til Jorden.)
Canadisk eksperiment
Den eneste måde at teste dette på var at bygge en detektor, der fungerede til alle tre typer neutrinoer. Siden 1990'erne har Arthur McDonald fra Queen's Ontario University ledet holdet, der gjorde dette i en mine i Sudbury, Ontario. Anlægget indeholdt tonsvis af tungt vand udlånt fra den canadiske regering. Tungt vand er en sjælden, men naturligt forekommende form for vand, hvor brint, der indeholder en proton,erstattet af dens tungere isotop deuterium, som indeholder en proton og en neutron. Den canadiske regering oplagrede tungt vand, fordi det bruges som kølemiddel i atomreaktorer. Alle tre typer neutrinoer kunne ødelægge deuterium for at danne en proton og en neutron, og neutronerne blev derefter t alt. Detektoren registrerede omkring tre gange antallet af partikler sammenlignet med Davis - præcis det antal, der blev forudsagt af de bedste modeller af Solen. Dette antydede, at elektronneutrinoen kunne svinge ind i dens andre typer.
japansk eksperiment
Omkring samme tid lavede Takaaki Kajita fra University of Tokyo endnu et bemærkelsesværdigt eksperiment. En detektor installeret i en mine i Japan registrerede neutrinoer, der ikke kom fra Solens indvolde, men fra den øvre atmosfære. Når kosmiske stråleprotoner kolliderer med atmosfæren, dannes byger af andre partikler, herunder myon-neutrinoer. I minen forvandlede de brintkerner til myoner. Kajita-detektoren kunne se partikler komme i to retninger. Nogle faldt fra oven og kom fra atmosfæren, mens andre bevægede sig nedefra. Antallet af partikler var forskelligt, hvilket indikerede deres forskellige natur - de var på forskellige punkter i deres oscillationscyklusser.
Revolution i videnskab
Det hele er eksotisk og fantastisk, men hvorfor tiltrækker oscillationer og neutrinomasser så meget opmærksomhed? Årsagen er enkel. I standardmodellen for partikelfysik udviklet i løbet af de sidste halvtreds år af det tyvende århundrede,som korrekt beskrev alle andre observationer i acceleratorer og andre eksperimenter, burde neutrinoer have været masseløse. Opdagelsen af neutrinomassen tyder på, at der mangler noget. Standardmodellen er ikke komplet. De manglende elementer er endnu ikke opdaget, enten gennem Large Hadron Collider eller en anden endnu ikke-skabt maskine.
