Forskere har kommet et skritt nærmere å finne massen til «spøkelsespartikler»

I Tyskland prøver forskere å finne nøytrinoers hvilemasse ved hjelp av en 70 meter svær detektor som kalles Karlsruhe Tritium Neutrino experiment (KATRIN).

Nøytrinoer er som navnet tilsier, partikler som forholder seg nøytrale til det meste. De påvirkes ikke av magnetfelt, har ingen ladning, og fyker stort sett i en rett linje fra kilden, uansett hva som måtte stå i veien. De strømmer gjennom oss hele tiden og det er veldig mange av dem.

Forskerne ved KATRIN-prosjektet begynte å kjøre eksperimenter i fjor for å lære mer om «spøkelsespartiklene». Det var etter å ha brukt flere år på konstruksjon og planlegging. På en konferanse i Japan la de nylig frem sine første resultater.

Forskerne kan nå slå fast at nøytrinoer veier maks 1,1 elektronvolt (eV) eller en femhundretusendel av et elektron. Det er mildt sagt ufattelig lite.

De har dermed halvert mulighetene. Tidligere eksperimenter har vist at den nedre grensen for massen er 0,02 eV, mens den øvre grensen var satt til 2 eV.

Når forholdene blir så vanvittig små, måles energi og masse med samme måleenhet, derav enheten elektronvolt.

– Kan gi nye svar

Tidligere tenkte forskere at nøytrinoer ikke hadde noen masse, i likhet med fotoner, eller lyspartikler. Det er hva som forventes ut fra standardmodellen - den etablerte og rådende teorien om hvordan de fundamentale partiklene i naturen henger sammen.

Men dette er motbevist. Nobelprisen i fysikk i 2015 gikk til to forskere som viste at nøytrinoer kan endre type på sin ferd fra sola til jorda. Det finnes tre typer nøytrinoer, og det at de kan endre seg betyr angivelig at de må ha bittelitt masse.

Men hvor mye masse har de? Det er et spørsmål mange fysikere har grublet over.

Les også: Sjarmkvark, gluon, myon og tau: Derfor har de aller minste partiklene så rare navn

– Ved å kjenne nøytrinoets masse kan forskere svare på grunnleggende spørsmål om kosmologi, astrofysikk og partikkelfysikk, for eksempel om hvordan universet har utviklet seg eller hvilken fysikk som eksisterer utover standardmodellen, sier Hamish Robertson, i en pressemelding fra Universitetet i Washington.

Intet mindre altså, hevder professor emeritus Robertson. Han er en av forskerne som deltar i KATRIN-prosjektet.

De nye resultatene bekrefter igjen at nøytrinoene er for lette til å kunne utgjøre den manglende massen i universet som betegnes som mørk materie. Det finnes derfor kanskje andre typer partikler som på samme måte som nøytrinoene har liten påvirkning på vanlig materie, og dermed er vanskelig å oppdage. En av kandidatene er en tenkt fjerde type av nøytrino, et såkalt sterilt nøytrino. Analysene ved KATRIN kan komme til å avsløre denne, dersom den eksisterer, ifølge meldingen fra Universitetet i Washington.

For å gi et inntrykk av hvor lette nøytrinoene er bruker Joseph Formaggio, professor ved MIT og en av lederne av KATRIN-prosjektet, følgende eksempel:

– Tenk på noe kjempelite, som et virus. Ethvert virus er bygget opp av omtrent ti millioner protoner (bestandeler i et atom. journ.anm). Hvert proton veier omtrent 2000 ganger mer enn hvert elektron i det viruset. Våre resultater viste at et nøytrino har en masse som er 1/ 500 000 av et eneste elektron! sier Formaggio i en nyhetssak fra MIT.

Mens et proton har en masse på 938 millioner eV, har nøytrinoet altså en masse på maks 1,1 eV.

Man kan jo lure på hvordan i all verden forskerne kan finne ut noe som helst om noe som er så lite og umerkelig.

Leter etter høyenergiske elektroner

KATRIN-detektoren ligger ved Karlsruhe Institute of Technology i Tyskland. Den består av et 70 meter langt oppsett.

For å finne massen til nøytrinoer har forskerne målt hvor mye energi som er til overs etter at elektroner har fått nesten alt.

Det første kammeret i konstruksjonen inneholder gassen tritium, som består av radioaktive isotoper av hydrogen. Nøytroner i tritium henfaller til elektroner og nøytrinoer. Forskere vet hvor mye energi som til sammen overføres til de to partiklene: 18,560 eV.

Noe av energien går med på å utgjøre hvilemassen til partiklene og resten av energien går med til fart og energi. Som regel blir den ekstra energien fordelt nokså likt, men noen ganger får en av partiklene alt. Dette forklarer Hamish Robertson til Live Science. Dette skjer bare i en liten brøkdel av de totalt 25 milliarder elektron-nøytrino-parene som genereres hvert sekund i kammeret med tritium.

Mens nøytrinoene bare forsvinner ut av laboratoriet umiddelbart og kanskje reiser inn i jordas indre og videre, er forskerne spesielt interessert i superenergiske elektroner. De kan nemlig fortelle noe om hvor mye energi som må ha gått med til å utgjøre nøytrinoets masse. Det er en liten bit igjen elektronene ikke kan stjele.

Høyenergi-elektronene blir ledet via magnetfelt inn i et stort vakumkammer, et spektrometer.

Bare de mest energirike elektronene slipper gjennom til den andre siden av kammeret, hvor de telles og måles. Forskerne kan øke og senke grensen for hvor enegririke elektronene må være for å slippe igjennom.

Foreløpig har eksperimentene ledet til en ny grense for nøytrinoets masse, og forskerne regner med å komme nærmere et svar etter ytterligere studier.

– Våre første målinger som nå er presentert er kulimineringen av nesten to tiår med hard jobbing og planlegging, sier Fromaggio.

Resultatene er ikke publisert i et vitenskapelig tidsskrift enda men er sendt inn til vurdering.

Detektoren er spesielt konstruert for å studere nøytrinoer. I enden er en stor vakuumtank med form som en zeppelin. (Illustrasjon: Steffen Lichter, KIT).

Oppdager langveisfarende nøytrinoer under isen

KATRIN-detektoren er en av flere som er viet til å forske på nøytrinoer.

Forskning.no har tidligere skrevet om observasjonskomplekset IceCube som ligger i Antarktis og er verdens største nøytrino-detektor. Her ligger flere tusen sensorer 1450 og 2450 meter nede i isen. Dette observatoriet oppdager nøytrinoer som kommer fra kilder ute i universet.

For selv om nøytrinoer sjelden har noe å gjøre med vanlig materie, krasjer de nå og da inn i en atomkjerne. Det kan gi et lite lysglimt, som sensorene kan fange opp. Forskerne er spesielt interessert i å finne partikler som kommer langveis fra, for å se hvor de stammer fra.

I 2018 sporet forskere ved laboratoriet opp et nøytrino som hadde reist i 3,8 milliarder år og som forskerne tror kom fra en bestemt blasar, et digert sort hull.

Forskere på feltet tror at mer kunnskap om de merkelige partiklene kan fortelle noe om universets hemmeligheter.

Les også: Nå kan nøytrinoer brukes til astronomi

Saken er først publisert på Forskning.no