Neutrinoers forvandling giver Nobelprisen i fysik
I år går Nobelprisen i fysik til partikelfysikerne Takaaki Kajita og Arthur B. McDonald. De får prisen for eksperimenter, der viser, at elementarpartikler kaldet neutrinoer kan skifte identitet i farten og derfor må have masse.

Ved hjælp af den enorme neutrino-detektor Super-Kamiokande, der er fyldt med 50 millioner liter ultrarent vand, kunne forskerne vise, at neutrinoer kan forvandle sig. (Foto: Kamioka/University of Tokyo)

Nobelpriskomiteen har netop tildelt årets Nobelpris i fysik til de eksperimentelle partikelfysikere Takaaki Kajita fra Japan og Arthur B. McDonald fra Canada.

De får prisen for opdagelsen af neutrinoernes oscillationer - deres evne til at forvandle sig i farten. 

Længe troede fysikerne, at neutrinoer var masseløse, men de nye nobelprismodtagere stod bag eksperimenter, der viste, at neutrinoer kan skifte identitet - og sådan et forvandlingsnummer kræver, at neutrinoerne har masse.

Forskerne ved endnu ikke, præcis hvor tunge neutrinoerne er. Men det ligger fast, at der ikke er meget gods i dem - en elektron vejer mindst en halv million gange så meget som en neutrino.

Takaaki Kajita fra universitetet i Tokyo har stået i spidsen for den japanske neutrino-detektor Super-Kamiokande, mens Arthur B. McDonald fra Queen's University i Kingston i Canada leder Sudbury Neutrino Observatory.

Læs også: Nyt bevis: Neutrinoer er naturens forvandlingskugler

»Det er en af de Nobelpriser, der egentlig mere er givet til forskerhold end til enkeltpersoner. Men da Nobelprisen kun kan gives til personer, er det lederne af eksperimenterne, der har fået den,« fortæller Steen Hannestad, der er professor på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, og som har beskæftiget sig indgående med neutrinoer.

Spøgelsespartikler er svære at opdage

Neutrinoer er ganske lette partikler uden elektrisk ladning. Der er masser af dem i universet, men de vekselvirker næsten ikke med andet stof. Derfor er de ekstremt svære at detektere.

Læs også: Gennembrud på Sydpolen: Nu kan neutrinoer bruges til astronomi

I 1930 blev neutrinoens eksistens postuleret af fysikeren Wolfgang Pauli, som fik Nobelprisen i 1945 - dog ikke for neutrinoer, men for erkendelser inden for kvantemekanik. Først 26 år senere dukkede sporene efter neutrinoer op i eksperimenter udført af Clyde Cowan og Frederick Reines. Sidstnævnte fik Nobelprisen i 1995.

Siden har fysikerne prøvet at blive klogere på de spøgelsesagtige elementarpartikler, og de har designet stadig større detektorer for at fange sporene efter dem.

En sjældent gang imellem støder en neutrino sammen med en anden partikel, og sammenstødet efterlader spor - for eksempel i form af små lysglimt. Selve neutrinoerne kan ikke indfanges, men fysikerne kan se sporene efter deres kollisioner med atomkerner, og de kan se, hvilken slags neutrinoer, der har været forbi.

Tallene passede ikke

Efterhånden stod det klart, at der findes tre forskellige slags neutrinoer, nemlig elektron-neutrinoer, myon-neutrinoer og tau-neutrinoer.

Fakta

201 fysikere har modtaget Nobelprisen i fysik. Kun to gange er den gået til en kvinde. I 1903 fik Marie Curie den for forskning inden for radioaktivitet, og i 1963 gik Nobelprisen til kernefysikeren Maria Goeppert Mayer. I begge tilfælde måtte de dele prisen med to mænd.

Læs også: Jagten på spøgelsespartikler er gået ind

Neutrinoer skabes i stort tal i Solen, og de opstår også, når kosmisk stråling støder ind i atomkerner i atmosfæren. Fysikerne kan beregne, hvor mange af elektron-neutrinoerne fra Solen og myon-neutrinoerne fra atmosfæren, der burde fanges i detektorer, men sidst i 1990'erne viste det sig, at tallene simpelhen ikke passede.

I Super-Kamiokande målte forskerne i 1998 en forskel i antallet af atmosfæriske neutrinoer, der kom oppefra, og neutrinoer, der kom nedefra. Takaaki Kajita og hans hold forklarede fænomenet med, at nogle af myon-neutrinoerne simpelthen havde forvandlet sig til tau-neutrinoer på vejen tværs igennem jordkloden.

I Sudbury Neutrino Observatory blev der omkring årtusindskiftet fanget langt færre elektron-neutrinoer fra Solen end forventet. Arthur McDonald var med til at vise, at det skyldtes, at to tredjedele af neutrinoerne havde skiftes identitet undervejs mod Jorden. 

Neutrinoer er vigtige

De tre forskellige typer neutrinoer kan altså forvandle sig til hinanden, og de vejer noget. Det betyder også, at de spiller en større rolle i naturen, end man først troede.

»Førhen mente fysikerne, at neutrinoer bare var nogle eksotiske partikler, som ikke havde den store betydning i naturen. Men med opdagelsen af, at neutrinoer nødvendigvis må have en masse, er det gået op for os, hvilken en stor betydning, de i virkeligheden må have,« siger Steen Hannestad.

»De spiller for eksempel en rolle i forbindelse med supernova-eksplosioner, hvor de er med til at danne de grundstoffer, der spredes ud i universet. Her har det en helt konkret betydning, hvor mange elektron-neutrinoer, der er i forhold til de andre typer neutrinoer.«

For nyligt viste to amerikanske forskere, at neutrinoer eksempelvis spiller en meget stor rolle i forbindelse med dannelsen af fluor - læs mere om denne forskning i artiklen Fluor dannes ved neutrino-bombardement i supernovaer.

Kan føre til en teori om alting

For mange fysikere er neutrinoerne imidlertid endnu mere spændende, fordi studiet af dem kan føre dem på sporet af helt ny fysik og en teori for alting. I den bedste teori for elementarpartikler og deres vekselvirkninger, den såkaldte standardmodel, passer neutrinoernes masser nemlig ikke umiddelbart ind.

»Neutrinoer givet et vindue til fysik ud over standardmodellen. Derfor vil vi gerne vide endnu mere om dem. Nu ved vi, at de oscillerer, men vi kender ikke deres præcise masser endnu. Vi prøver også at finde ud af, om neutrinoer og antineutrinoer opfører sig ens eller ej,« lyder det fra Steen Hannestad, der slutter:

»Resultaterne af nye neutrino-eksperimenter kan føre til en teori, der beskrive naturen på et mere grundlæggende niveau, end det hidtil har været muligt.«

 

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.


Det sker