Jakter spøkelsespartikler

Forskere vil skyte en stråle av nøytrinoer tvers over Japan. De håper å fange noen av de mystiske elementærpartiklene i en kjempemessig detektor fylt med 50 millioner liter vann.

Denne artikkelen er over ti år gammel og kan inneholde utdatert informasjon.

Her holder nøytrino-detektoren Super-Kamiokande på å bli fylt med 50 millioner liter vann. De runde objektene er lysdetektorene. I midten seiler et par teknikere rundt i en gummibåt. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)
Her holder nøytrino-detektoren Super-Kamiokande på å bli fylt med 50 millioner liter vann. De runde objektene er lysdetektorene. I midten seiler et par teknikere rundt i en gummibåt. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)

I den japanske byen Tokai har en internasjonal gruppe fysikere nettopp tryllet frem en stråle av nøytrinoer – en type elementærpartikler som skal spille hovedrollen i et nytt eksperiment som skal fortelle oss mer om hvordan universet er bygget opp.

Nøytrinoer er mystiske partikler, og man vet ikke særlig mye om dem. De har nesten ingen interaksjon med annen materie, og derfor er de ekstremt vanskelige å oppdage.

De kan uten problemer passere tvers gjennom jorden, og derfor kalles de også for spøkelsespartikler.

Eksperimentet i Japan heter Tokai-to-Kamioka, forkortet T2K. Nøytrinoene skal nemlig foreta en reise på 295 kilometer, fra Tokai på Japans østkyst til Kamioka i det vestlige Japan.

Forskerne håper at resultatet av eksperimentet kan gi oss en bedre forståelse av de grunnleggende naturlovene og for eksempel fortelle hvorfor det er mer stoff enn antistoff i universet.

Vi kan også lære mer om hvilken rolle nøytrinoene spilte i det tidlige universet, slik at vi bedre kan sette sammen universets historie.

Nøytrinoer utfører et forvandlingsnummer

Nøytrinoene kom til verden ved forsøkssenteret Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC).

Her ble en kraftig protonstråle fra en akselerator avfyrt direkte inn i et stykke grafitt. Dermed ble det skapt en masse nye partikler, ikke minst såkalte pioner, som blir til myoner og de ønskede myon-nøytrinoene.

Fysikkens standardmodell sier at det finnes tre forskjellige slags nøytrinoer: Elektron-nøytrinoer, myon-nøytrinoer og tau-nøytrinoer.

Det er høyt under taket i Super-Kamiokande. Langt der oppe kan vi skimte åpningen hvor forskerne kommer inn. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)
Det er høyt under taket i Super-Kamiokande. Langt der oppe kan vi skimte åpningen hvor forskerne kommer inn. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)

Og i 1998 viste et eksperiment ved den japanske nøytrinodetektoren Super-Kamiokande at nøytrinoene kan forvandle seg fra den ene typen til den andre. De oscillerer, som det heter i fysikkverdenen.

Målinger gir helt ny fysikk

Standardmodellen er fysikernes beste forslag til en teori for de naturkreftene og elementærpartiklene universet består av – unntatt tyngdekraften. Men modellen er ikke komplett.

Steen H. Hansen, som er førsteamanuensis på Dark Cosmology Centre ved Niels Bohr Institutet under København Universitet, forklarer:

– I standardmodellen har ikke nøytrinoene noen masse. Men de kan bare oscillere hvis de har en masse. Så vi trenger en utvidelse av standardmodellen.

– Det kan være en triviell utvidelse, hvor man bare legger til et ledd til ligningene, men det kan også være noe mer spennende som ligger og gjemmer seg.

Så nøytrino-eksperimentet vil hjelpe fysikerne med å forbedre teorien for de partiklene allting består av.

Som Takashi Kobayashi, som er talsmann for forsøket, sier det slik:

– Studiet av nøytrino-oscilleringer er en av de beste måtene vi virkelig kan komme til å forstå de mest fundamentale fysiske lovene på.

Og som bonus får man vite mer om fordelingen av stoff i universet:

– De tre typene nøytrinoer må ha forskjellige masse. Det nye eksperimentet er designet slik at man nøyaktig kan måle i hvilket omfang nøytrinoene skifter identitet, fortsetter Hansen.

– Det gir informasjon om hvor mye nøytrinoene veier, og dermed kan vi finne ut av hvor mye nøytrinoene bidrar til den samlede massen i universet.

Et lysglimt i 50 000 000 liter vann

Med det nye forsøket vil forskerne kunne finne ut i hvor høy grad myon-nøytrinoer forvandler seg til elektron-nøytrinoer på veien fra akseleratoren i Tokai til detektoren i Kamioka.

De siste detektorene settes inn. Nå er det bare å vente på første lysglimt. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)
De siste detektorene settes inn. Nå er det bare å vente på første lysglimt. (Foto: Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo.)

I Kamioka står detektoren Super-Kamiokande klar til å fange opp sporene etter nøytrinoene. Super-Kamiokande består av 50 000 tonn ultrarent vann omgitt av 11 146 følsomme lysdetektorer (fotomultiplikatorer).

En nøytrino kan nemlig avsløre seg selv ved å forårsake et blått lysglimt som kan fanges av opp av lysdetektorene.

Selve nøytrinoene kan ikke måles, men når de en sjelden gang vekselvirker med vanlige atomer, kan det føre til dannelsen av nye partikler med høy energi. Og disse partiklene kan spores.

I vannet beveger partiklene seg raskere enn lyset

I Super-Kamiokande kan partiklene fra nøytrinoenes sammenstøt med atomer bevege seg med en fart som er større enn den lys kan bevege seg gjennom vann med.

Dermed skapes en slags sjokkbølge, litt på samme måte som når et jagerfly braker gjennom lydmuren – bare med lys i stedet for lyd, så det oppstår et blått lysglimt i stedet for et overlysbrak.

Sporene etter en myon-nøytrino er annerledes enn sporene etter en elektron-nøytrino, og på den måten kan forskerne se hvor mange av myon-nøytrinoene fra partikkelakseleratoren som har forvandlet seg til elektron-nøytrinoer underveis.

Og når eksperimentet har kjørt i noen år, er det forhåpentligvis samlet nok data til at forskerne kan si noe om nøytrinoenes natur og rolle i universet.

______________________________

© videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.

Lenker

Pressemelding fra J-PARC

Hjemmesiden for Super-Kamiokande

Powered by Labrador CMS