Viten

Det handler om å veie de minste partiklene

Standardmodellen skal beskrive kreftene som binder verden sammen. Men den kan ikke forklare nøytrinoene.

Super-Kamiokande eksperimentet i Japan er et av de eksperimentene som har målt nøytrinooscillasjoner. Nøytrinoer beveger seg like lett gjennom vann, som vi beveger oss gjennom luft, så det krever store underjordiske anlegg å måle deres egenskaper. Merk de to personene i båten, som polerer en av de 11146 fotomultiplikator-rørene i eksperimentet.
  • Signe Riemer-sørensen
Viten er Aftenpostens satsing på forskning og vitenskap, der forskere og fagfolk fra hele landet bidrar med artikler.

Hvis du holder hånden din opp mot solen i bare ett sekund, vil omtrent en milliard nøytrinoer passere uhindret gjennom den. De gjør ingen skade, og kun få ganger i et menneskeliv vil et atom i kroppen ta til seg et nøytrino. Derfor kalles de ofte «spøkelsespartikler», da de for det meste passerer uforstyrret gjennom selv de tetteste materialer.

A block of lead the size of our entire solar system wouldn’t even come close to stopping a cosmic neutrino — Eiichiro Komatsu, direktør for Department of Physical Cosmology, Max-Plank-Institut für Astrophysik.

Deres veldig svake vekselvirkning gjør dem ekstremt utfordrende å måle gjennom eksperimenter. Vi vet for eksempel ikke hvor mye de veier, noe som skaper problemer for teoretikerne og vår forståelse av hvordan verden henger sammen.

De minste byggeklossene

Din hånd er, i likhet med alle grunnstoffene i det periodiske systemet, bygget opp av atomer, som igjen er satt sammen av naturens fundamentale byggeklosser: kvarker og elektroner.

Nøytrinoer er en annen av naturens fundamentale byggeklosser, den minste vi kjenner til, og antagelig den mest sjenerte siden den svært sjeldent vekselvirker med andre partikler. Det finnes (minst) tre forskjellige slags nøytrinoer som er oppkalt etter hver sin elektronlignende partikkel: elektron-nøytrinoet, muon-nøytrinoet og tau-nøytrinoet.

Gjennom laboratorieeksperimenter har forskere målt at de tre nøytrinotypene ikke veier det samme altså har de forskjellig masse. Det er det ikke noe merkelig ved siden også elektronet, muonet og tau-partikkelen har forskjellig masse. Det merkelige er at vi ikke vet hva nøytrinoene veier. Vi vet bare at det er forskjell.

De fleste nøytrinoer som finnes i dag ble dannet helt tilbake i Big Bang. Men det blir også hele tiden dannet nye nøytrinoer for eksempel gjennom kjernereaksjoner i solens indre, i atomkraftverker, i partikkelakseleratorer, gjennom stjernedannelse og stjernedød samt i helt vanlige atmosfæriske fenomener som nordlys.

Partikkelfysikk

Standardmodellen for partikkelfysikk er den teorien som beskriver alle de fundamentale partikler og krefter som binder verden sammen: Verdens små Lego-klosser og hvordan de sitter sammen. Inntil nå har teorien kunnet forklare alle laboratorie-eksperimentene, og den forutsa selv Higgsbosonet som ble funnet i fjor ved Large Hadron Collider (CERN, Sveits).

Ifølge Standardmodellen er nøytrinoene fullstendig masseløse akkurat som fotonene (lyspartikler). Likevel har man i underjordiske laboratorier målt en effekt som kalles nøytrinomiksing eller nøytrinooscillasjoner, hvor nøytrinoer av en type kan skifte identitet og bli til en annen type. Denne miksingen kan kun skje hvis de forskjellige typene nøytrinoer har forskjellig masse.

Eksisterende nøytrinooscillasjons-eksperimenter kan ikke måle hver enkelt nøytrinotypes masse, men kun forskjellene mellom dem. Derfor kjenner vi ikke nøytrinoenes masse, men vet bare at de må veie mindre enn 0.000000000000000000000000000000005 gram. Hvis protonet var på størrelse med en blåhval ville nøytrinoene være mindre enn mygg. De målte masseforskjellene er henholdsvis 100 og 1000 ganger mindre

Nøytrinoene og universet

De fleste nøytrinoene i universet ble dannet ganske kort etter Big Bang, og fordi de veldig sjeldent vekselvirker med noe som helst, er de her fortsatt i dag. De veier nesten ingenting, og likevel gjør deres enorme antall at de bidrar til innholdet i universet, som igjen bestemmer hvor fort universet utvider seg.

Da nøytrinoene ble dannet beveget nøytrinoene seg veldig fort, noe som var med på å glatte ut de tyngdepotensial-brønner som senere skulle bli til galakser. Dette resulterte i at det ble dannet litt færre galakser enn hvis nøytrinoene ikke hadde hatt masse. Man kan forestille seg tyngdepotensial-brønnene som de laveste områdene i et helt tørt fjellområde. Hvis det begynner å regne blir de lave områdene til innsjøer. Hvis vi jevner ut områdene med sand, vil det ikke lagres såmye vann der. Nøytrinoene har samme effekt som sanden. Selv om nøytrinoene er ganske små er effekten betydelig.

Nøytrinoene utjevnet altså "galakse-frø" i universets barndom for ca. 12 milliarder år siden. Effekten avhenger av hvor mye de veier og derfor kan vi sette en grense for hvor mye de kan veie ved å måle fordelingen av galakser i dag.Vet å observere et tredimensjonalt galaksekart med posisjoner av 170352 galakser, og sammenligne det med simuleringer for hvordan galaksene dannes, har vi utledet en øvre grense på nøytrinomassen, som er ti ganger lavere (eller bedre, om du vil) enn det man har fra laboratorieeksperimenter.

Oppskriften på en måling

Ved å telle antallet av par av galakser i det tredimensjonale kartet som en funksjon av avstanden mellom de to galaksene (og Fourrier-transformere resultatet), kan vi måle nøytrinoenes påvirkning som en dempning av fordelingens hale (dette er sterkt overdrevet på figuren). Effekten avhenger også av andre parametere som beskriver universets utvikling. Derfor trengte vi å kombinere galaksekartet med Planck-romteleskopets observasjoner av den kosmiske mikrobølge-bakgrunnsstrålingen.

Legger vi masseforskjellene fra nøytrino-oscillasjonseksperimentene sammen får vi en nedre grense for hva de tre nøytrinoene må veie tilsammen. Den nye øvre grensen er kun 3.5 ganger høyere enn minstegrensen, og dermed er vi ganske tett på en faktisk måling.

Euclid

Institutt for teoretisk astrofysikk ved Universitetet i Oslo er involvert i planleggingen av romteleskopet Euclid, som etter planen skal sendes opp i 2020. Euclid skal blant annet måle posisjoner på millioner av galakser. Dette er kanskje nok til å måle nøytrinomassen, og ikke bare sette en øvre grense.

Deretter er det opp til teoretikerne å forklare hvorfor spøkelsespartiklene vi kaller nøytrinoer har så liten masse men likevel ikke er helt masseløse.

  • Vil du lese mer spennende vitenskapsstoff skrevet av forskere? Følg Aftenposten Viten på FacebookogTwitter!

Les også

  1. Fant vann og atmosfære på Ceres

  2. Kometjegeren Rosetta snart i mål!

  3. Her er «Guds hånd»