Man har længe vidst, at neutrinoer er universets letteste partikler, som bevæger sig med noget nær lyshastighed. Hvor lette partiklerne er, har dog hidtil ligget hen i det dunkle.
Nu har et internationalt forskerhold kastet lys over sagen. Efter mere end 200 nætters galaksestudier og tusindvis af beregninger er det lykkedes kosmologer med en dansker i spidsen at finde en ny måde at spore sig ind på, hvor tung neutrinomassen er. Metoden er langt mere præcis end de metoder, man hidtil har brugt.
Alt efter hvilken kombination af dataset, forskerne bruger, finder de at den øvre grænse på massen er 0,6 eV eller 0,29 eV. Den nedre grænse er 0,05 eV og kommer fra oscillationseksperimenter.
Resultatet er netop blevet publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Physical Review D Rapid Communication.
»Vores studie dokumenterer, at man kan bestemme neutrinoernes masse langt mere nøjagtigt ved hjælp af fjerne galakser, end hvad der kan lade sig gøre via fysikeksperimenter i et laboratorium,« fortæller den danske Signe Riemer-Sørensen, der som postdoc har ledet studiet ved Institut for Fysik og Matematik ved University of Queensland i Australien.
Flygtende neutrinoer giver lettere galakser
Neutrinoer er de allerletteste partikler, vi kender til. Men de påvirkede alligevel den måde, som massen klumpede sammen i det tidlige univers.
I det tidlige univers skubbede neutrinoer nemlig til det øvrige stof. Ved at granske dette stof i dag, kan man få et indtryk af, hvor tunge neutrinoerne er, for jo større masse, de har, des mere blev stoffet i sin tid spredt.
Neutrinoernes masse er altså afgørende for, hvor mange galakser, der er i dag, og hvor tæt, de ligger. Jo større antallet og tætheden af galakserne er, des lettere er neutrinoerne.
Neutrinoerne kunne kommandere rundt med stoffet, fordi de dengang piskede gennem universet med hastigheder tæt på lysets. Partiklerne var med andre ord ‘relativistiske’ og var dermed i stand til at slippe ud af ansamlinger af galakser, selv om de rummede store mængder mørkt stof, der forsøgte at holde på dem.
»Når neutrinoerne forlod forstadiet til galakserne, fjernede de masse fra dem og ændrede dermed deres tyngdepotentiale. Ved at analysere galaksernes fordeling, kan det derfor lade sig gøre at bestemme neutrinoernes masse,« siger Signe Riemer-Sørensen.
Tusindvis af galakser er studeret
Signe Riemer-Sørensen og hendes kolleger har som udgangspunkt for deres analyse brugt data fra et 3D-kort over 240.000 stjernedannende blå meget fjerne galakser kaldet WiggleZ Dark Energy Survey. Analysen viser den præcise placering af de mange galakser i dette gigantiske volumen, hvilket igen sladrer om neutrinoernes masse.
\ Fakta
Signe Riemer-Sørensen har været projektleder på dette projekt igennem de sidste to år. Hun har først og fremmest stået for al modelleringen af strukturdannelsen og strukturudviklingen. Dertil kommer sammenligningen af modellerne med data for at udtrække information om neutrinoernes masse. Ud over Signe Riemer-Sørensen består teamet af forskere fra USA, South Africa and Canada
Det gode ved netop disse galakser er, at der er stor sammenhæng mellem fordelingen af dem og det underliggende mørke stof. Strukturen af det mørke stof i dem kan altså bruges til at bestemme, hvor meget masse galaksen har tabt på grund af flygtende neutrinoer.
»Tidligere har man brugt kraftige røde galakser til samme analyse, men problemet er, at de ofte sidder i galaksehobenes centre, og derfor ikke kortlægger det mørke stof nær så godt. De blå galakser i WiggleZ sporer fordelingen af det mørke stof mere direkte end de røde galakser, der tidligere har været brugt, som sidder i centrum af galaksehobene og altså altid kun markerer centrum af mørkt stof-fordelingen, hvilket også er meget sværere at modellere teoretisk,« siger hun.
Nyt studie får laboratorieforsøg til at blegne
Neutrinomassen er også tidligere forsøgt bestemt ved hjælp af avancerede laboratorieforsøg, som rent faktisk også har været i stand til at måle masseforskellene mellem de respektive neutrinoer. Men de forskelle i masse kommer forskerne ikke langt med, så længe man ikke har et mål for, hvad en neutrinos absolutte masse er – og det er den, som det nye studie kan give forskerne.
Den nye metode overgår altså alle tidligere forsøg på at bestemme neutrinomassen hvad enten det er ved hjælp af kosmologiske studier af galakser eller fysikforsøg i laboratorier.
Men selv om den nye metode er stærkt og god, er der altid plads til forbedringer, og lige nu arbejder forskergruppen på at forfine metoden, så man får indsnævret neutrinomassen så meget som muligt.
Neutrinomassen kan løse mange gåder
\ Fakta
I laboratoriet har man hidtil forsøgt at bestemme den generelle neutrinomasse ved hjælp af to forskellige laboratorieeksperimenter: Neutrino-oscillations-eksperimenter – måler, hvordan neutrinoerne skifter “personlighed” mellem de tre forskellige familier. Neutrino-oscillations-eksperimenterne er kun følsomme over masse-forskellen mellem neutrino-familierne, og kan ikke måle deres overordnede masse. Beta-henfalds-spektroskopi-ekperimenter måler på energien af elektroner/positroner udsendt fra radioaktive kilder, som også udsender en neutrino. Problemet med disse eksperimenter er at følsomheden slet ikke kan måle sig med det man kan opnå ved hjælp af galaksemålinger.
Forskerne glæder sig til at få et præcist mål for neutrinomassen, fordi den kan hjælpe dem med at løse en masse gåder og paradokser.
I dag behandles neutrinoerne f.eks. som masseløse i partikelfysikkens ’Standardmodel’, der beskriver, hvordan alt det stof og alle de kræfter, der findes omkring os, er bygget op af et begrænset antal elementarpartikler.
»Det betyder, at der er noget fundamentalt galt, eller i hvert fald noget, som mangler, med Standardmodellen for partikelfysik, som ellers er meget succesfuld, når det kommer til at forudsige partikelfysiske fænomener,« fortæller signe Riemer-Sørensen.
Bedre teleskoper i udsigt
Ud over øget forståelse for stoffets mindste byggesten, vil en præcis måling af neutrinoernes masse også kunne føre til bedre partikelaccelerator-detektorer. Derudover vil det give større viden om kerneprocesserne i Solen og andre stjerne, mere virkelighedstro modeller for supernova eksplosioner samt bedre simulationer af strukturdannelse i det tidlige univers.
»Sidst, men ikke mindst, får man muligheden for at bygge deciderede neutrinoteleskoper, som kan bruges til at observere meget fjernere objekter end klassiske teleskoper,« siger hun.
