Hvorfor fysikere er på jakt etter den største av ghostpartiklene


Hvert eneste sekund av hver eneste dag blir du bombardert av billioner på trillioner av subatomære partikler, dusjer ned fra dypet av rom. De blåser gjennom deg med styrken av en kosmisk orkan, og sprenger inn i nesten lysets hastighet. De kommer fra hele himmelen, hele tiden på dagen og natten. De trenger inn i jordens magnetfelt og vår beskyttende atmosfære som så mye smør.

Og likevel er håret på toppen av hodet ikke engang rufflet.

Hva skjer?

Disse små små kulene kalles neutrinos, et begrep laget i 1934 av den strålende fysikeren Enrico Fermi. Ordet er vaguelt italiensk for "lite nøytral en", og deres eksistens ble hypotetisert for å forklare en veldig nysgjerrig atomreaksjon. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Noen ganger føler elementene litt … ustabil. Og hvis de er igjen alene for lenge, faller de fra hverandre og forvandler seg til noe annet, noe litt lettere på det periodiske bordet. I tillegg vil et lite elektron skryte ut. Men på 1920-tallet fant forsiktige og detaljerte observasjoner av disse nedfallene små, niggling uoverensstemmelser. Den totale energien ved starten av prosessen var en liten bit større enn energien som kommer ut. Matematikken lagde ikke opp. Merkelig.

Så, noen fysikere concocted en helt ny partikkel ut av hele klut. Noe å bære bort den manglende energien. Noe lite, noe lys, noe uten kostnad. Noe som kunne glide gjennom sine detektorer ubemerket.

En liten, nøytral en. En neutrino.

Det tok et par tiår for å bekrefte deres eksistens – det er så glatt og sløvt og lunket de er. Men i 1956 kom neutrinoer i den voksende familien av kjente, målte, bekreftede partikler.

Og så ble det rart.

Problemet begynte å brygge med oppdagelsen av muonen, som tilfeldigvis skjedde omtrent samme tid som neutrino-ideen begynte å få grunnlag: 1930-tallet. Muon er nesten akkurat som et elektron. Samme kostnad. Samme spinn. Men det er annerledes på en avgjørende måte: Den er tyngre, over 200 ganger mer massiv enn sin søsken, elektronen.

Muons deltar i sine egne spesielle typer reaksjoner, men har ikke en tendens til å vare lenge. På grunn av deres imponerende masse, er de veldig ustabile og raskt forfall i dusjer med mindre biter ("raskt" betyr her innen en mikrosekund eller to).

Det er alt bra og bra, så hvorfor regner muoner inn i neutrino-historien?

Fysikere la merke til at henfallreaksjoner som foreslo eksistensen av neutrinoen, alltid hadde en elektronpopp ut, og aldri en muon. I andre reaksjoner ville muoner pope ut, og ikke elektroner. For å forklare disse funnene rangerte de at neutrinoer alltid matchet med elektroner i disse forfallene (og ikke noen annen type neutrino), mens elektronen, må muonen knytte sammen med en ennå uoppdaget type neutrino. Tross alt elektron-vennlig neutrino ville ikke kunne forklare observasjonene fra muon hendelsene. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Og så gikk jakten på. Og på. Og på. Det var ikke før 1962 at fysikere endelig fikk en lås på den andre typen neutrino. Det ble opprinnelig kalt "neutretto", men mer rasjonelle hoder rådde med ordningen om å kalle det muon-neutrino, siden det alltid parret seg i reaksjoner med muon.

Ok, så to bekreftede nøytriner. Har naturen mer på lager for oss? I 1975 siktet forskerne ved Stanford Linear Acceleratorsenter tøft gjennom fjell av monotone data for å avdekke eksistensen av en enda tyngre søsken til den skumle elektronen og hefty muon: hulking tau, klokke inn i en masse 3.500 ganger massen av elektronen . Det er en stor partikkel!

Så umiddelbart ble spørsmålet: Hvis det er en familie på tre partikler, kan elektronen, muonen og tauen … være der en tredje neutrino, for å parre med denne nyskapede skapningen?

Kanskje, kanskje ikke. Kanskje det er bare de to neutrinene. Kanskje er det fire. Kanskje 17. Naturen har ikke akkurat møtt våre forventninger før, så ingen grunn til å starte nå.

Hopp over mange grusomme detaljer, over tiårene, overbeviste fysikere seg selv ved å bruke en rekke eksperimenter og observasjoner som en tredje nøytrino burde eksistere. Men det var ikke før kanten av årtusenet i 2000 at et spesifikt utformet eksperiment hos Fermilab (kalt humoristisk DONUT-eksperimentet, for direkte observasjon av NU Tau, og nei, jeg gjør det ikke opp) endelig fikk nok bekreftet observasjoner for å rette krav på en deteksjon.

Så, hvorfor bryr vi oss så mye om nøytriner? Hvorfor har vi jaget dem i over 70 år, fra før andre verdenskrig til den moderne æra? Hvorfor har generasjoner av forskere vært så fascinert av disse små, nøytrale?

Årsaken er at nøytriner fortsetter å leve utenfor våre forventninger. I lang tid var vi ikke engang sikker på at de eksisterte. I lang tid var vi overbevist om at de var helt masse, til eksperimenter irriterende oppdaget at de måtte ha masse. Nøyaktig "hvor mye" forblir et moderne problem. Og nøytriner har denne irriterende vanen med å skifte karakter mens de reiser. Det er riktig, da en neutrino reiser i flyturen, kan den bytte masker blant de tre smaker.

Det kan til og med fortsatt være en ekstra neutrino der ute som ikke deltar i noen vanlige interaksjoner – noe kjent som den sterile nøytrinoen, som fysikere sulten jakter på.

Med andre ord utfordrer nøytriner kontinuerlig alt vi vet om fysikk. Og hvis det er en ting vi trenger, både i fortiden og i fremtiden, er det en god utfordring.

Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av Spør en Spaceman og Space Radio, og forfatter av Ditt sted i universet.

Opprinnelig publisert på Live Science.