Neutrinoer lever en omskiftelig tilværelse

Et eksperiment i USA er nu i gang til at lave de hidtil mest detaljerede undersøgelse af neutrinoer og deres næsten naturstridige opførsel, når de i fuld bevægelse skifter mellem tre forskellige tilstande.

NOvA hedder eksperimentet, som sender én form for neutrinoer af sted fra Fermilab ved Chicago til et laboratorium placeret tæt ved USA’s grænse til Canada, 800 km borte.

Her vil forskerne i en kæmpe detektor med en længde på 78 meter og en masse på 14.000 ton identificere de tilfælde, hvor en neutrino, der havde én type ved afsendelsen, går i fælden som en anden type, fordi den har ændret sig undervejs.

Eksperimentet har været under forberedelse i flere år, og i september erklærede USA’s Department of Energy konstruktionen af anlægget færdigt til tiden og holdt budgettet.

Da man ikke har kendskab til de enkelte neutrinoer, der sendes af sted, kræver fortolkningen af data en omfattende statistisk analyse, hvor man sammenligner med tilsvarende målinger i en mindre detektor placeret i umiddelbar nærhed af Fermilab, og hvor neutrinoerne har bevæget sig så kort afstand, at de ikke har haft mulighed for at skifte type.

Forskerne håber bl.a. på at få et fingerpeg om forskellen mellem stof og antistof og dermed et svar på, hvorfor universet i dag udelukkende består af stof, når formodningen er, at der blev dannet eksakt lige meget stof og antistof ved Big Bang.

Undseelige partikler

Neutrinoer er naturens mest undseelige partikler. Hvert sekund passerer flere end ti milliarder af dem gennem et areal på en kvadratcentimeter på Jorden – stort set uden at efterlade sig spor. De kommer i en konstant strøm fra Solen, hvor de opstår, når fire brintkerner fusionerer til én heliumkerne samt to elektroner, to neutrinoer og energi.

Neutrinoer, der dannes i Solen, er af elektron-neutrino-typen. Ved kernereaktioner, hvor der dannes myoner eller tau-partiker, som i partikelfysikkens standardmodel er en slags tungere storebrødre til elektronen, dannes i stedet myon- neutrinoer og tau-neutrinoer.

For at fuldende billedet findes der også tre typer af antipartikel-neutrinoer, på samme vis som eksempelvis elektronen har positronen som sin antipartikel.

En neutrino fødes som en af disse tre typer – eller flavourtilstande – og den vil også afgå ved døden i en flavourtilstand, når den vekselvirker med en anden partikel. En fri neutrino er dog ikke bundet til den fla­vour­til­stand, den har fået fra fødslen.

Som alle andre partikler styres partikler i bevægelse af deres masse. Ligesom der findes tre neutrino­typer, findes der også tre neutrino-­masser. Det særprægede er dog, at massetilstanden hos en neutrino er en kombination af forskellige flavour­tilstande.

Neutrinoerne blev teoretisk forudsagt i 1930 af Wolfgang Pauli, som kaldte dem neutroner – da de var elektrisk neutrale. Men da James Chadwick i 1932 opdagede den neutrale kernepartikel, og den også fik navnet neutron, var det Enrico Fermi, som få år efter gav Paulis meget mindre partikel navnet neutrino.
Den ene massetilstand består primært af elektron-neutrino-fla­vour med et mindre indhold af de to andre flavourtilstande. Den anden massetilstand består næsten ligeligt af alle tre flavourtilstande. Den tredje massetilstand består næsten udelukkende af myon-neutrino- flavour og tau-neutrino-flavour i et ligeligt forhold med kun en anelse elektron-neutron-flavour.

Dette betyder, at en neutrino kan skifte flavour, når den er i bevægelse.

Det er uhyre svært at måle massen af neutrinoer, da den er meget lille. Forskerne forventer dog at kunne fastlægge hierarkiet for de tre massetilstande og afgøre, om den tredje massetilstand er den tungeste eller den letteste. Det skal ske ved at undersøge forskellen for oscillationer for henholdsvis neutrinoer og antineutrinoer.

Der er dog også den mulighed, at neutrinoer og antineutrinoer giver samme resultat, fordi en neutrino er sin egen antipartikel. Hvis det er tilfældet, er den en såkaldt majorana- partikel, opkaldt efter den italienske fysiker Ettore Majorana. Forskere har lavet en form for kunstige majorana-partikler, men aldrig fundet ‘ægte’ majoranapartikler i naturen.

Det er efterhånden velkendt, at det er Higgs-feltet med den berømte partikel af samme navn, der er forklaring på, at kvarker og elektroner har masse – og fotoner er masseløse.

Hvis neutrinoer og antineutrinoer er forskellige, er det også via koblingen til Higgs-feltet, vi skal finde forklaringen på de tre masse­tilstande. Er neutrinoen en majo­rana-partikel, har den sin masse af en helt anden årsag.