Neutrinoer forvandler sig på rejse gennem Jorden

Hvert sekund bliver hver eneste kvadratcentimeter på din krop bombarderet med milliarder af neutrinoer.

De bittesmå partikler findes overalt i universet, men de skjuler sig så godt, at du aldrig fornemmer, at neutrinoerne går lige igennem dig.

På Sydpolen står imidlertid en gigantisk detektor, som er så følsom, at den er i stand til at opdage de skjulte neutrinoer. I et nyt eksperiment har detektoren opfanget de små partikler, efter at de er rejst tværs gennem Jorden – fra Nordpolen til Sydpolen.

»I den nye undersøgelse har vi målt på et fænomen, hvor neutrinoerne kan skifte karakter, mens de rejser gennem Jorden – de går fra at være en type neutrino til en anden type neutrino. Det er et virkelig fascinerende fænomen og ikke noget, vi kender fra andre partikler,« fortæller Jason Koskinen, lektor og leder af IceCube-gruppen på Københavns Universitet.

Han er en af forskerne bag den nye undersøgelse, som netop er blevet publiceret i det videnskabelige tidsskrift Physical Review D.

Neutrinoer kan give viden fra fjerne egne

At neutrinoer kan rejse lige igennem dig, din hund, dit hus og resten af Jordkloden, uden at du opdager det, skyldes, at partiklerne kun påvirker deres omgivelser i ekstremt sjældne tilfælde – eller med fysikernes ord er neutrinoer meget svagt vekselvirkende.

»Neutrinoer vekselvirker stort set ikke med noget som helst, og det er både en fordel og en ulempe. Det er en fordel, fordi de kan rejse komplet uhindret igennem hele universet – uanset hvor de nu kommer fra – og ned til jordkloden. Derfor kan de medbringe viden fra de fjerneste egne af universet.«

»Men det er samtidig en ulempe for os, fordi det betyder, at de er ekstremt svære at detektere,« forklarer Ulrik Ingerslev Uggerhøj, som er professor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet

Skal være heldig for at opdage neutrino

For at indfange de svagt vekselvirkende partikler har det internationale forskningsprojekt IceCube, som Københavns Universitet er en del af, opstillet en ekstremt stor detektor i isen på Sydpolen.

Detektoren befinder sig langt nede under isens overflade – den begynder 1½ kilometer nede i isen og ender ved bunden i en dybde af 2½ kilometer.

»Normalt går neutrinoer bare lige igennem alting. Men det sker en sjælden gang, at de vekselvirker med deres omgivelser, og derfor gælder det om at søge efter dem i et stort og tæt område, for at være heldig nok til at opdage, når neutrinoerne endelig støder ind i noget,« forklarer Jason Koskinen.

Han forklarer, at når en neutrino en gang imellem støder ind i atomer i isen på Sydpolen, vil atomerne udstøde ladede partikler – og dermed bliver der udsendt et blåt lys.

»Vores detektor har en masse optiske sensorer, som sidder i den klare is på Sydpolen. Og når sensorerne opfanger det blå lys, ved vi, at der har været en kollision med en neutrino,« forklarer Jason Koskinen.

Neutrinoer rejser gennem Jorden

I virkeligheden er IceCube-detektoren på Sydpolen fremstillet med henblik på at opfange signaler fra neutrinoer, der er rejst fra det ydre rum. Disse neutrinoer kan for eksempel blive skabt, når gamle stjerner dør i gigantiske eksplosioner, kendt som supernovaer.

Men i den nye undersøgelse viser forskerne, at IceCube-detektoren også kan bruges til at få viden om neutrinoer, som bliver produceret over Jordens nordlige halvkugle.

Disse neutrinoer bliver ifølge forskerne skabt, når partikler (protoner) med høj energi rammer Jordens atmosfære. Sammenstødet kan producere en byge af neutrinoer, der farer gennem Jorden – og dermed kan IceCube-detektoren på Sydpolen altså blive ramt af neutrinoer, som er blevet skabt over Nordpolen.

‘Det lover godt for fremtiden’

»Den nye undersøgelse finder i virkeligheden ikke noget afgørende nyt om neutrinoer. Men den er alligevel interessant, fordi den viser, at IceCube kan detektere neutrinoernes ‘karakterskift’, selvom den ikke specifikt er bygget til at kunne detektere det.«

»Det lover rigtig godt for fremtiden, for hvis de får opgraderet IceCube, sådan som de har planer om, vil de for alvor kunne få spændende resultater,« siger Ulrik Ingerslev Uggerhøj, som selv forsker i kosmiske partikler, men ikke har været en del af den nye undersøgelse.

Neutrinoernes mystiske karakterskift handler om, at de tilsyneladende kan skifte fra at være en type neutrinoer til en anden type.

Der findes tre typer neutrinoer

Forskerne mener, at der findes tre typer af neutrinoer med hver deres bestemte vægt (masse) – en masse, som dog er uhyre lille; under en milliontedel af elektronens masse.

De tre typer af neutrinoer er:

• elektron-neutrinoer,
• myon-neutrinoer
• tau-neutrinoer

»Det er ret vildt«

Forskerne mener, at de neutrinoer, som skabes, når de rammer atmosfæren over Nordpolen, som oftest er myon-neutrinoer, som har en høj energi. Men undervejs på deres 13.000 kilometer lange rejse gennem jordkloden, mener forskerne, at de kan ændre sig og blive til tau-neutrinoer.

»Det er ret vildt, at de kan skifte fra at være en partikel til en anden partikel, mens de rejser fra Nordpolen til Sydpolen. Det hænger sammen med, at de gennemgår kvantemekaniske svingninger,« forklarer Jason Koskinen.

For få år siden lavede forskere fra den schweiziske forskningsinstitution CERN også en række målinger, som viste, at neutrinoer faktisk havde endnu vildere egenskaber end at kunne skifte kartakter: Nemlig at de kunne bevæge sig hurtigere end lyset. Det var et resultat, som vakte stor opsigt – også her på Videnskab.dk – men som desværre viste sig ikke at være rigtigt.

»Et halvt års tid, efter at CERN havde annonceret resultatet, fandt man ud af, at der var tale om en målefejl. I dag siger vi, at neutrinoer kan rejse med hastigheder, som er meget tæt på lysets hastighed – men ikke hurtigere end lyset,« fortæller Ulrik Ingerslev Uggerhøj.

Du kan læse mere om de eksotiske neutrinopartikler i artiklen ’Lysglimt fra Antarktis’ dyb fortæller om kosmos’.