Nu vil fysikerne veje de spøgelsesagtige neutrinoer
Med eksperimentet KATRIN vil tyske forskere finde ud af, hvor stor en masse de mystiske neutrinoer har. Så kan de bedre sige, hvor stor en rolle neutrinoerne spiller i universets udvikling.
KATRIN neutrino partikler universet rummet rumfart astronomi partikelfysik fysik kemi laboratorie

Den største del af neutrinovægten blev kørt de sidste syv km til laboratoriet. Det var med nød og næppe, den kom gennem landsbyen Leopoldshafen. (Foto: KATRIN)

Den største del af neutrinovægten blev kørt de sidste syv km til laboratoriet. Det var med nød og næppe, den kom gennem landsbyen Leopoldshafen. (Foto: KATRIN)

Universet er fyldt med spøgelsesagtige partikler, vi ikke ved ret meget om.

Historien kort
  • Elementarpartikler kaldet neutrinoer har stor betydning for universets udvikling, så derfor vil fysikerne gerne vide mere om dem.
  • Et nyt fysikeksperiment kaldet KATRIN går ud på at bestemme massen af neutrinoerne.
  • Forsøgsopstillingen er 70 meter lang og har været mere end 10 år undervejs. Målingerne vil tage fem år.

De hedder neutrinoer, og de blev dannet i stort tal ved big bang. De produceres også ved supernova-eksplosioner, i stjerner som Solen og ved sammenstød mellem kosmisk stråling og atomer i den øvre atmosfære.

Der er rigtig mange af dem. Hvert eneste sekund passerer mange billioner neutrinoer lige igennem os, uden at vi mærker det mindste til det. De kan nemt passere hele vejen igennem jordkloden uden at efterlade sig ret mange spor.

Neutrinoer er nemlig ikke meget for at vekselvirke med andet stof, og det gør dem svære at blive kloge på. Men selv om de er bittesmå og ikke gør meget væsen af sig, er de uhyre vigtige for universets udvikling.

Antallet gør dem betydningsfulde

»De er vigtige, fordi der er så mange af dem. Efter fotoner er det dem, der er flest af. Og de har haft betydning for den struktur, vi nu kan se i universet,« siger Morten Medici, der er postdoc og forsker i neutrinoer ved Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

»Vi vil også gerne vide mere om, hvilken rolle neutrinoer spiller i supernovaer – hvordan de er med til at drive eksplosionen.«

Kender man neutrinoernes masse, bliver det nemmere at beregne, hvordan deres bidrag til universet ser ud. Det bringer også fysikerne et lille skridt tættere på en teori om alting.

Derfor er det ikke underligt, at forskerne gerne vil veje neutrinoen, men det er ikke spor nemt at holde styr på sådan en lille, flygtig partikel. Der kræver udstyr i superligaen.

KATRIN skal bestemme massen

Der gik 26 år, fra neutrinoens eksistens blev postuleret af fysikeren Wolfgang Pauli i 1930, til dens eksistens blev eksperimentelt bekræftet af kollegerne Clyde Cowan og Frederick Reines i 1956.

Og her efter endnu 61 år ved vi altså ikke engang, hvor meget neutrinoer vejer. Vi ved, at de findes i tre varianter med hver deres antipartikel. Vi ved også, at der er tale om meget lette elementarpartikler – en elektron vejer mindst 500.000 gange så meget som en neutrino. Men vi kender ikke deres præcise masse.

KATRIN

Hele forsøgsopstillingen er 70 meter lang. Elektronerne dannes til venstre og får målt deres energi i det store spektrometer til højre. (Illustration: KATRIN)

Det vil tyske fysikere nu lave om på. De har brugt mere end et årti på at forberede et eksperiment, der kaldes KATRIN – en forkortelse for KArlsruhe TRItium Neutrino.

Nu står den kæmpestore neutrinovægt klar på Karlsruhes institut for teknologi i det sydlige Tyskland, og fysikerne er i fuld gang med at teste, om den fungerer som ventet. Snart skal den sættes i gang med at veje en af de tre neutrinoer, nemlig elektron-neutrinoen – eller helt præcist dens antipartikel.

»Målingen af neutrinoens masse er en af fysikkens helt store udfordringer. Fysikerne mente først, at neutrinoen er masseløs, men nu må man acceptere, at den har en masse. Men hvad er denne masse? Det skal KATRIN finde ud af,« lyder det fra Morten Medici.

Kæmpecylinder tog kæmpe omvej

Hele forsøgsopstillingen er 70 meter lang, og den største og vigtigste del er en stålcylinder, der er 23 meter lang, 10 meter i diameter og har et rumfang på 1.400 kubikmeter.

Omvej neutrino partikler fysik partikelfysik kemi jorden universet masse måling

Det store spektrometer tog en gigantisk omvej for at komme de 400 km fra Deggendorf til Karlsruhe. (Illustration: KATRIN)

Den vejer cirka 200 ton, og det var noget af en opgave at få den kæmpemæssige cylinder transporteret de 400 km fra producenten i Deggendorf til forskningscenteret i Karlsruhe. Faktisk måtte den tage en omvej på næsten 9.000 km.

Cylinderen var nemlig så stor, at den ikke kunne køres på en stor lastbil – den ville ikke kunne passere under broerne undervejs. I stedet måtte den sejles langt det meste af vejen, og det betød en lang tur på store floder, gennem Sortehavet og Middelhavet og op gennem Atlanten. Det tog et par måneder at bringe cylinderen sikkert frem til den endelige destination.

Naturens forvandlingskugler

Men 29. november 2006 var den fremme, og siden er hele forsøgsopstillingen samlet og gjort klar til opgaven: At måle massen af neutrinoer.

I lang tid mente fysikerne slet ikke, at neutrinoer havde en masse. Ifølge den bedste teori for elementarpartiklerne, den såkaldte standardmodel, burde de nemlig være masseløse lige som fotonen.

Men så opdagede forskerne, at neutrinoer er naturens egne forvandlingskugler. De kan skifte identitet i farten – forvandle sig fra den ene til den anden type neutrinoer – fordi alle neutrinoer i virkeligheden er en blanding af alle tre typer (elektron-neutrino, myon-neutrino og tau-neutrino).

Det understregede, hvor underlige neutrinoer er, men den viste også, at neutrinoer må have masse. Ellers ville de ikke kunne udføre deres forvandlingsnummer. Opdagelsen gav Nobelprisen i 2015, og det kan man læse meget mere om i artiklen Neutrinoers forvandling giver Nobelprisen i fysik.

Radioaktive henfald røber massen

Men i Karlsruhe gælder det altså om at måle massen af en af neutrinoerne med langt større præcision, end det hidtil har været muligt.

Betahenfald neutrinoer partikler fysik undersøgelse masse universet

Dette henfald, hvor tritium bliver til helium under udsendelse af en elektron og en antineutrino, skal gøre det muligt at veje neutrinoen. (Illustration: KATRIN)

Det er umuligt at indfange neutrinoer direkte, så fysikerne har fundet en indirekte måde at måle neutrinomassen. Det skal gøres ved at måle energien af elektroner, der stammer fra henfaldet af tritium – den supertunge, radioaktive udgave af brint.

Tritium-kernen består af en proton og to neutroner. Men tritium-atomet er ustabilt, og det henfalder ved at udsende en elektron og en neutrino (en anti-elektron-neutrino).

Ved henfaldet frigives energi, og derfor får elektronen og neutrinoen fart på. Ideen er så at måle elektronens bevægelsesenergi med stor præcision, for så kan man beregne neutrinoens masse. Jo større neutrinomasse, desto mindre fart kan elektronen få på, for en del af energien i henfaldet går til neutrinoens masse.

Måske for lette til at blive målt

Det er her, den kæmpestore cylinder kommer ind i billedet. Den er blevet tømt for luft, så trykket er lige så lavt som på Månen, og så sendes elektroner fra tritium-henfald ind i den.

Elektriske og magnetiske felter i cylinderen sørger for at sortere elektronerne efter deres hastighed, og når fysikerne på den måde kender hastigheden af de hurtigste elektroner, kan de beregne neutrinoernes masse med en præcision på 0,2 eV/c². Det svarer til 3,6 x 10-37 kg – et uhyre lille tal.

Det er dog meget muligt, at neutrinoer vejer mindre end de 0,2 eV/c². Faktisk lyder det seneste estimat af den samlede masse af de tre neutrinoer, baseret på den kosmiske baggrundsstråling og galaksernes fordeling, på 0,183 eV/c² eller derunder. Så måske vil KATRIN bare bekræfte, at neutrinoer er virkelig, virkelig lette.

»De hidtidige estimater er baseret på flere forskellige antagelser. Derfor er det vigtigt med målingen i laboratoriet, så vi kan blive sikre. Målingerne fra KATRIN vil være et imponerende skridt fremad,« siger Morten Medici.

Målingerne kan så småt gå i gang for alvor, men det varer cirka fem år, før fysikerne har et sikkert resultat af forsøget. Vi hører sikkert mere fra KATRIN i 2022.

I denne video fra forskerne bag KATRIN hører vi mere om eksperimentet. (Video: KIT)

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

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.