Neutrinoer

Grundbeskrivelse

Neutrinoer er en type elementarpartikler, som produceres i forbindelse med betastråling, i atomkraftværker, i processer, der finder sted i Solens indre, og i voldsomme astrofysiske begivenheder, såsom supernovaer. Det er universets hyppigst forekommende partikel. Selv i de mest øde egne af universet findes 52 neutrinoer per cm³ skabt i Big Bang. Men det er også den dårligst forståede af de kendte elementarpartikler. Neutrinoer vekselvirker kun med andre elementarpartikler gennem den såkaldte svage kernekraft, idet den ikke har elektrisk ladning. Navnet er udmøntet af den italienske fysiker Enrico Fermi og spiller på ordet 'neutron', som er den ligeledes elektrisk neutrale bestanddel af atomkernerne. Endelsen 'ino', der ordret betyder 'lille neutron', hentyder til, at den - i modsætning til neutronen, er en uhyre svagt vekselvirkende og let partikel.

Uddybende beskrivelse

Den svage kernekraft er uhyre svag. Hvert sekund går der 65 milliarder neutrinoer fra Solen gennem hver cm² på jordoverfladen. De passerer (næsten) alle uforstyrret durk igennem Jorden og kunne udmærket fortsætte gennem tusinder af andre jordkloder. Derfor er neutrinoer også ideelle budbringere fra fjerne egne af universet, idet de kan rejse kosmiske distancer uden at afbøjes af magnetfelter og uden at blive standset af mellemliggende stof. Problemet er så blot at stoppe nogle af dem på Jorden, så de kan detekteres. Det prøver man på ved at bruge gigantiske detektorer.

En af IceCube-eksperimentets adskillige tusinde kugleformede detektormoduler. (IceCube)

IceCube-eksperimentet udgøres af en kubikkilometer is fyldt med flere tusinde runde detektormoduler med en diameter på 20-30cm. Hvert modul indeholder en fotomultiplikator og noget elektronik. Eksperimentet er opbygget i 86 borede huller mellem 1700 og 2400 meter under overfladen af isen lige ved Sydpolen. I hvert hul er en serie detektormoduler anbragt med mellemrum på en line.

For at kunne skelne neutrinoerne fra anden, mindre gennemtrængende kosmisk stråling er der på overfladen af isen anbragt andre detektorer, der kan registrere kosmisk stråling. Det er kun de partikler, der ikke detekteres på overfladen, men alene ses i detektorerne nede i isen, der accepteres som relle observationer af neutrinoer.

Neutrino med en energi på over 1000TeV detekteret i IceCube eksperimentet. (IceCube)

Når en neutrino af og til reagerer med et af isens atomer, kan det se ud som på billedet til højre.

Neutrinoer kommer i tre varianter knyttet til de tre ladede elementarpartikler, som er i familie med elektronen. Samlet kaldes alle disse partikler for leptoner. Lepto betyder svag på græsk. Det hentyder til, at disse partikler ikke føler den stærke kernekraft, som kvarkerne føler, og vi betegner leptonerne - bortset fra elektronerne - med græske bogstaver:

Lepton-tallet er et bevaret kvantetal. Således vil en reaktion, som i begyndelsestilstanden ikke indeholder leptoner, også i sluttilstanden have lepton-tal nul. Men sluttilstanden må gerne indeholde en lepton og en antilepton. Faktisk er lepton-tallet for de tre arter separat bevaret. Dette bestemmer for eksempel sluttilstanden for en myon. En myon har en middellevetid på 2μs og forgår via henfaldet:
\[ \mu^- \rightarrow e^- + \bar{\nu}_e + \nu_\mu\]
På venstre side er μ-leptontallet 1 for myonen, og på højre side er det også 1 for μ-neutrinoen. På venstre side er e-leptontallet naturligvis 0, og på højre side er det +1 for elektronen og -1 for anti-e-neutrinoen, i alt også 0.

Neutrinoer er meget lette. I mange år troede man, at de var masseløse. Man er nu overbevist om, at de neutrinoer, som rejser gennem rummet, er tre bestemte kvantemekaniske blandinger af de tre arter, hver med en bestemt masse. Denne masse er uhyre lille, under en milliontedel af elektronens masse. Det er interessant, at alle stof-partikler, inklusive neutrinoer, har en masse. Men vi forstår ikke, hvorfor nogle stof-partikler er uhyre lette og andre meget tunge. For eksempel, modsat neutrinoen. er tau-leptonens (\(\tau\)^- ) masse 3477 gange større end elektronens masse.

Peter H. Hansen

Emner