Nu kan man fange spøgelsespartikler med lille maskine
De små partikler neutrinoer er berygtede for ubemærket at gå igennem alt – ligesom spøgelser. Nu har forskere bygget en rekordlille detektor, som kan opfange neutrinoerne, når de ramler ind i en atomkerne.   

I et nyt eksperiment har forskere brugt et rekordlille instrument til at opfange signaler fra de spøgelsesagtige partikler kaldet neutrinoer. Verden over jager forskere neutrinoer, fordi man mener, de kan være med til at afsløre nogle af universets store hemmeligheder. Fotoet viser professor Juan Collar, som har været med til at bygge den nye neutrinojæger.  (Foto: Jean Lachat) 

I al ubemærkethed flyver mange milliarder partikler igennem din krop hvert eneste sekund hver eneste dag.

De spøgelsesagtige partikler kaldes for neutrinoer, og de er notorisk svære for forskerne at opdage.

Hidtil har forskerne opstillet gigantiske detektorer til at opfange signaler fra neutrinoer, men i et nyt eksperiment er det lykkedes forskere at få livstegn fra neutrinoer med et lille instrument på størrelse med en flaske cola.

»Det er en teknik, som kan vise sig at få stor betydning fremover, når man skal studere neutrinoer,« siger Ulrik Uggerhøj, som er professor i fysik ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet.

Han har ikke været en del af det nye studie, som er publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Science.

Neutrinoer er asociale

Årsagen til, neutrinoer er så svære at opdage, er, at de små partikler er ekstremt asociale. De gider ikke at lege med andre partikler, og kun i ekstremt sjældne tilfælde påvirker neutrinoerne deres omgivelser.

Eller som fysikerne siger: Neutrinoer er meget svagt vekselvirkende.

Neutrinoer

En neutrino er en elementarpartikel.

Det er en af universets hyppigst forekommende partikler.

Men det er også den dårligst forståede af de kendte elementarpartikler.

Neutrinoer vekselvirker kun sjældent med andre elementarpartikler. Derfor er den svær at måle og opdage.

Forskerne ved, at neutrinoer har en masse, men ved ikke, hvor meget partiklerne vejer.

Neutrinoer kendes i forskellige typer. Forskere har endda opdaget, at de fascinerende neutrinoer kan skifte fra én type til en anden, når de rejser gennem Jorden. 

Kilde: Københavns Universitet

»Neutrinoer kan rejse stort set uforstyrret gennem universet og gå igennem næsten alt. Det kan de, fordi de stort set ikke vekselvirker med noget. Men det er vigtigt at lægge vægt på ’stort set’, for det sker en sjælden gang imellem, at de vekselvirker med deres omgivelser. Ellers ville vi jo slet ikke kunne vide, at de eksisterer,« siger Ulrik Uggerhøj.

Ny form for vekselvirkning

I det nye studie har forskerne beskrevet en ny måde, som neutrinoerne vekselvirker med deres omgivelser på. Vekselvirkningen sker, når en neutrino en sjælden gang imellem ramler ind i en atomkerne.

»Når neutrinoen rammer atomkernen, bliver kernen sat en lille smule i bevægelse. Det er kun meget lidt bevægelse, men det er den måde, man kan se, at neutrinoen har været der – at atomkernen bevæger sig,« forklarer Ulrik Uggerhøj.

Hvis man vil øge chancen, for at en neutrino ramler ind i en atomkerne – og ikke bare flyver forbi i det tomme rum – skal man bruge et materiale, som er opbygget af tunge grundstoffer med store atomkerner. Jo større atomkerne, des større chance for, at neutrinoen ramler ind i atomkernen, lyder logikken.

Men på den anden side er ulempen, at atomkernens bevægelse er sværere at opdage, efterhånden som atomkernen bliver tungere, forklarer Juan Collar, som er en af forskerne bag det nye studie.

»Forestil dig, at neutrinoer er bordtennisbolde, som rammer en bowlingbold. De vil kun give et lille ekstra impuls til denne bowlingbold,« siger Juan Collar, som er professor i fysik ved det amerikanske University of Chicago i en pressemeddelelse.

Et »perfekt« materiale

I den nye undersøgelse har forskerne fundet frem til et materiale, som de selv beskriver som »perfekt« til at kunne detektere den lille smule bevægelse, som atomkernen får, når den rammes af en neutrino. Det perfekte materiale er ifølge forskerne et cæsiumjodidkrystal spædet op med natrium.

Ved brug af dette materiale kunne forskerne bygge en neutrinodetektor, som kun er 10 x 33 centimeter stor og vejer 14,6 kilo. En ren baby i forhold til de kæmpestore detektorer, som man normalt bruger til at opfange signaler fra neutrinoer – såsom eksempelvis IceCube Neutrino-detektoren, som består af tusinder af sensorer, der er spredt ud over en kvadratkilometer under isen på Antarktis. (Læs mere her)

I IceCube-projektet måler forskerne på neutrinoer, som rammer ind i elektroner. Det er en anden mekanisme end den, som beskrives i den nye undersøgelse, og derfor kan den nye mini-detektor da heller ikke erstatte IceCube, forklarer Ulrik Uggerhøj.

»Den nye mekanisme er ikke et vidundermiddel, som kan få andre detektorer til at skrumpe voldsomt. Men det kan være et supplement til eksisterende mekanismer,« siger Ulrik Uggerhøj.

Sådan måler man normalt neutrinoer

I de fleste andre projekter måler forskerne på en anden form for vekselvirkning end i IceCube-projektet og den nye undersøgelse. I disse projekter sker vekselvirkningen, når neutrinoer rammer ind i en enkelt kernepartikel, forklarer Ulrik Uggerhøj.

Dit møde med neutrinoer

»Hvert eneste sekund bliver hver kvadratcentimeter på din krop ramt af omkring 10 milliarder neutrinoer fra Solen. Men de vekselvirker næsten aldrig med atomerne i vores krop.«

»Chancen for, at en neutrino vekselvirker med vores krop igennem al den tid, vi lever, er omkring 50 procent – og hvis det skulle ske, så ville vi alligevel ikke kunne mærke det.«

Ulrik Ingerslev Uggerhøj, professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.

»Når en neutrino rammer en af kernepartiklerne, bliver kernen ændret en smule. Atomkernen går fra at være én type til at være en anden type. I store neutrinodetektorer har man mange milliarder atomkerner, og hvis en eller to atomkerner er blevet til en anden type, kan man rent kemisk sortere dem fra. På den måde kan man se, at neutrinoerne har været der,« siger Ulrik Uggerhøj.

I det nye studie er det imidlertid ikke kun en enkelt kernepartikel, som neutrinoerne rammer ind i – det er derimod hele den samlede kerne med alle dens kernepartikler, forklarer Ulrik Uggerhøj.

Denne form for vekselvirkning mellem neutrinoer og atomkerner kalder forskerne for sammenhængende neutrinospredning (coherent elastic neutrino-nucleus scattering).

Forudsagt i 1974

Fænomenet var allerede blevet forudsagt teoretisk, men det er første gang, at det er lykkedes at bevise, at det forekommer i et eksperiment.

»Når man skal vise det, er det eneste, man kan se, at kernen bevæger sig, når neutrinoen rammer. Derfor er det så svært at måle og derfor har taget over 40 år at kunne vise det i et eksperiment. Det er simpelthen bare svært at måle, at kernen bliver sat i bevægelse,« siger Ulrik Uggerhøj.

Det var den amerikanske fysiker Daniel Freedman, som i 1974 forudsagde, at neutrinoer ville kunne ramme atomkerner og sætte dem i bevægelse. Dengang var han imidlertid skeptisk over for ideen om, at det en dag ville blive muligt at efterprøve teorien i et eksperiment og skrev, at det »ville føre til alvorlige eksperimentelle vanskeligheder« at bevise teorien i et eksperiment.

Neutrinoen kan afsløre universets hemmeligheder

Det er det internationale forskningssamarbejde COHERENT, som har udviklet den nye neutrinodetektor, som uden tvivl slår alle rekorder som verdens mindste neutrinojæger.

Det betyder samtidig, at det vil blive billigere og nemmere for forskere at blive en del af jagten på de fascinerende spøgelsespartikler, forudser Ulrik Uggerhøj.

Der er fortsat mange hemmeligheder om neutrinoen, som vi ikke kender til – for eksempel hvad den vejer – men håbet er, at man ved at få større viden om neutrinoer samtidig kan få større viden om andre af universets hemmeligheder.

Forskerne håber blandt andet, at neutrinoer kan være med til at afsløre nyt om supernovaer (eksploderende stjerner) og mørkt stof – en mystisk form for stof, som ingen rigtig ved, hvad er, men som, forskerne mener, udgør en stor del af universet.

'The Spallation Neutron Source' på Oak Ridge National Laboratory i USA (billedet) kan producere kernepartiklerne neutroner, og samtidig produceres der også neutrinoer. Tæt på produktionen af neutroner og neutrinoer, placerede forskerne deres neutrinodetektor - i et kælderrum, afskærmet af jern og beton. Næsten ingen neutroner kunne nå gennem afskærmningen, men det kunne neutrinoerne derimod. Forskerne kunne tydeligt se neutrinoerne i deres data fra detektoren, lyder det i en pressemeddelelse. (Foto: Oak Ridge National Laboratory)

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud

Det sker