Jagten på spøgelsespartikler er gået ind
Forskere vil skyde en stråle af neutrinoer tværs over Japan. De håber at fange nogle af de mystiske elementarpartikler igen i en kæmpemæssig detektor fyldt med 50 millioner liter vand.

De første neutrinoer fra acceleratoren ved J-PARC er i første omgang blevet detekteret af en neutrino-detektor, der er placeret et par hundrede meter fra acceleratoren. (Foto: J-PARC)

I den japanske by Tokai har et internationalt hold fysikere netop fremtryllet en stråle af neutrinoer - en type elementarpartikler, der skal spille hovedrollen i et nyt eksperiment, som skal gøre os klogere på universets indretning.

Neutrinoer er nogle mystiske partikler, og man ved ikke særlig meget om dem. De vekselvirker næsten ikke med andet stof, og derfor er de ekstrem svære at detektere. De kan uden problemer passere tværs gennem Jorden, og derfor kaldes de også for spøgelsespartikler.

Eksperimentet i Japan hedder Tokai-to-Kamioka, forkortet T2K. Neutrinoerne skal nemlig foretage en rejse på 295 kilometer fra Tokai på Japans østkyst til Kamioka i det vestlige Japan.

Forskerne håber, at resultatet af eksperimentet kan give os en bedre forståelse af de fundamentale naturlove og for eksempel fortælle, hvorfor der er mere stof end antistof i universet.

Vi kan også blive klogere på, hvilken rolle neutrinoerne spillede i det tidlige univers, så vi bedre kan sammenstykke universets historie.

Neutrinoer laver et forvandlingsnummer

Neutrinoerne kom til verden ved forsøgscenteret Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). Her blev en kraftig protonstråle fra en accelerator fyret direkte ind i et stykke grafit. Herved blev der skabt en masse nye partikler, ikke mindst pioner, der henfalder til myoner og de ønskede myon-neutrinoer.

Fysikkens standardmodel siger, at der findes tre forskellige slags neutrinoer: Elektron-neutrinoer, myon-neutrinoer og tau-neutrinoer. Og i 1998 viste et eksperiment ved den japanske neutrinodetektor Super-Kamiokande, at neutrinoerne kan forvandle sig fra den ene slags til den anden. De oscillerer, som det hedder i fysikverdenen.

Målinger giver helt ny fysik

Standardmodellen er fysikernes bedste bud på en teori for de naturkræfter og elementarpartikler, universet består af - dog undtaget tyngdekraften. Men modellen er ikke komplet.

Steen H. Hansen, der er lektor på Dark Cosmology Centre ved Niels Bohr Institutet under København Universitet, forklarer: »I standardmodellen har neutrinoerne ingen masse. Men de kan kun oscillere, hvis de har en masse. Så vi har brug for en udvidelse af standardmodellen.«

»Det kan være en triviel udvidelse, hvor man bare tilføjer et led til ligningerne, men det kunne også være noget mere spændende, der ligger og gemmer sig.«

Her er neutrino-detektoren Super-Kamiokande ved at blive fyldt med 50 millioner liter vand. De runde objekter er lysdetektorerne. I midten sejler et par teknikere rundt i en gummibåd. (Foto: Kamioka Observatory)

Så neutrino-eksperimentet vil hjælpe fysikerne med at forbedre teorien for de partikler, alting består af.

Som Takashi Kobayashi, der er talsmand for forsøget, siger det: »Studiet af neutrino-oscillationer er en de bedste måder, hvorved vi virkelig kan komme til at forstå de mest fundamentale fysiske love.«

Og som bonus får man lidt bedre styr på, hvordan fordelingen af stof i universet ser ud:

»De tre slags neutrinoer må have forskellige masse. Det nye eksperiment er designet sådan, at man præcist kan måle, i hvilket omfang neutrinoerne skifter identitet,« fortsætter Steen Hansen.

»Det giver information om, hvor meget neutrinoerne vejer, og dermed kan vi finde ud af, hvor meget neutrinoerne bidrager til den samlede masse i universet.«

Et lysglimt i 50.000.000 liter vand

T2K-eksperimentet vil afsløre hidtil ukendte egenskaber hos neutrinoer

Professor Atsuto Suzuki, High Energy Accelerator Research Organization

Med det nye forsøg vil forskerne mere specifikt finde ud af, i hvor høj grad myon-neutrinoer forvandler sig til elektron-neutrinoer undervejs fra acceleratoren i Tokai til detektoren i Kamioka.

I Kamioka står detektoren Super-Kamiokande klar til at opfange sporene efter neutrinoerne. Super-Kamiokande består af 50.000 ton ultrarent vand omgivet af 11.146 følsomme lysdetektorer (fotomultiplikatorer). En neutrino kan nemlig afsløre sig selv ved at forårsage et blåt lysglimt, der kan opfanges af nogle af lysdetektorerne.

Selve neutrinoerne kan ikke måles, men når de en sjælden gang vekselvirker med almindelige atomer, kan det føre til dannelsen af nye partikler med høj energi. Og disse partikler kan spores.

I vandet bevæger partiklerne sig hurtigere end lyset

I Super-Kamiokande kan partiklerne fra neutrinoernes sammenstød med atomer bevæge sig med en hastighed, der er større end den, som lys kan bevæge sig gennem vand med.

Derved skabes en slags chokbølge, lidt på samme måde som når et jagerfly brager igennem lydmuren - her blot med lys i stedet for lyd, så der opstår et blåt lysglimt i stedet for et overlydsbrag.

Sporene efter en myon-neutrino er anderledes end sporene efter en elektron-neutrino, og på den måde kan forskerne se, hvor mange af myon-neutrinoerne fra partikelacceleratoren, der har forvandlet sig til elektron-neutrinoer undervejs.

Og når eksperimentet har kørt i nogle år, er der forhåbentlig samlet nok data til, at forskerne tør give et kvalificeret bud på neutrinoernes natur og rolle i universet.

Videnskab.dk Podcast

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