Neutrino

Neutrino
Klassificering
Elementarpartikel Fermion Lepton
Generelle egenskaber
Generation	Første, anden, tredje
Interaktion(er)	Gravitation og Svag kernekraft
Symbol	ν (νe, νe, νμ, νμ, ντ, ντ)
Antal typer	3 (electronneutrino, muonneutrino, tauneutrino)
Antipartikel	Antineutrino (muligvis er neutrinoen sin egen antipartikel)
Fysikke egenskaber
Masse	lille, men ikke nul (Se Neutrinoers masser)
Elektrisk ladning	0 e
Spin	1⁄2
Historie
Forudsagt	Pauli (1930)
Opdagelse	Cowan og Reines (1956)

Neutrino er fællesbetegnelsen for 3 påviste neutrinotyper: ν_e = elektronneutrino, ν_μ = myonneutrino, ν_τ = tauonneutrino, som alle er elementarpartikler. De 3 neutrinotyper har ikke elektrisk ladning og kan ikke vekselvirke med den stærke kernekraft.

Eksistensen af disse bølgepartikler blev foreslået af tænkeren Wolfgang Pauli i 1930, den blev påvist første gang i 1956 af fysikerne Fred Reines og Clyde Cowan.

En fjerde neutrinotype, den "sterile" neutrino er mulig, men den er endnu vanskeligere at påvise end de tre andre typer, er ikke påvist og dens eksistens er følgelig endnu kun en teoretisk mulighed.

Historie

Eksistensen af neutrinoen blev foreslået af Wolfgang Pauli i 1930 som en løsning på et problem, som fra blevet påvist i 1914 af James Chadwick. Problemet bestod i at elektronerne, som blev udsendt ved betastråling ikke blev udsendt ved en bestemt energi. I betastråling bliver en neutron omdannet til en proton under udsendelse af en elektron. I følge energibevarelsesprincippet skulle elektronen så udsendes med energi, der er lig med masseforskellen mellem neutron og protonen, men Chadwick viste at de blev udsendt med energier mellem 0 og masseforskellen. Der manglede altså noget energi. Wolfgang Pauli foreslog at der fattes en partikel som bar den manglede energi væk. Denne partikel måtte ikke vekselvirke med den elektromagnetiske kraft, idet den derved ville være fundet. Han kaldet denne partikel neutron pga. deres ladning.

I 1932 fandt James Chadwick en neutral partikel, som han også kaldte neutronen. Denne partikel havde en for stor masse til at være Pauli føromtalte partikel. Enrico Fermi gav derfor Pauli hypotetiske partikel navnet neutrino og formulere herefter kvanteteorien for betahenfald.

Frederick Reines og Clyde Cowan foreslog i 1953 et eksperiment for at opdage neutrinoen, hvor en neutrino vekselvirker med en proton og skaber en neutron og en positron.

$\bar{v} + p = n + e^+$

Reines og Cowan placerede deres eksperiment ved Hanford reactor med pga. for meget baggrundstråling mislykkedes forsøget eksperimentet. Forskerne placerede herefter forsøget under jorden ved Savannah River Plant, hvor et neutrinosignal blev observeret. Resultaterne blev fremlagt i 1956. Reines fik nobelprisen i fysik i 1995 for denne opdagelse. (Cowan var død mange år tidligere).

I 1962 blev myonneutrinoen opdaget af forskerne Leon M. Lederman, Melvin Schwartz, Jack Steinberger. Dette fik forskerne nobelprisen i fysik for i 1988.

I 1967 målte Ray Davis, som den første neutrinoer fra solen fusionsreaktioner. Han så på reaktionen, at når en elektronneutrino reagerer med et Cl₃₇ skabes der Ar₃₇ og en elektron.

$Cl_{37} + \bar{v} = Ar_{37} + e^-$

Elektronneutrino skal have en energi på mindst 0,814 MeV for at kunne indgå i denne reaktion. Det vil sige omkring 12 % af solens neutrinoer, neutrinoerne får forskellig alt afhængig af hvilken pp-reaktion de indgår i i solen. Der blev bygget en tank indeholdende 378000 liter C₂Cl₄ i Homestake minen i ca. 1500 m. dybte. Den blev bygget så dybt for at undgå fejlkilder fra den kosmiske stråling. Antallet af neutrinoer der reagerede blev så målt ved at se på hvor mange argon atomer der blev skabt. Resultatet fra forsøget viste at der kun blev skabt en tredjedel af de neutrinoer, som var teoretisk beregnet.

I 1996 blev detektoren Super Kamiokande taget i brug og observerer fra denne viste at der var et en uoverensstemmelse mellem det teoretiske antal neutrinoer fra solen og det fundne. I 1998 viste Super Kamiokande at det skyldes neutrinooscillationen.

Neutrinoers vekselvirkning med andet stof

Neutrinoer har så små tværsnitsarealer, at de uendelig sjældent vekselvirker med andet stof.

Milliarder af neutrinoer farer tværs gennem Jordkloden uden at komme i kontakt med dens materiale, de passerer gennem tomrummet i atomerne uden hindring. En idé om, i hvor lille grad neutrinoer interagerer med stof, kan man få ved tænke på, at det kræver et stykke bly med en tykkelse på et lysår for at stoppe halvdelen af et neutrinoflow.

Neutrinoers masser

Et særligt vigtigt spørgsmål har været om neutrinoernes masse var nul eller større end nul. Tidligere troede mange at neutrinoen var masseløs da man ikke umiddelbart kan bestemme dens masse ud fra de reaktioner som den deltager i, og da masseløse neutrinoer er teoretisk simplest i standardmodellen. Men i dag véd man med sikkerhed (fra forsøg med neutrinooscillationer) at neutrinoernes masse er større end nul.

Nyeste data (2011) for neutrinomasser:

0 < M(ν_e) < 0,47 eV - under visse forudsætninger (nemlig når quasi ikke-lineære skalaer er fjernet, dvs. man forudsætter en flad LCDM kosmologi) måske < 0,28

Bemærk at når der i referencen omtales en "sum" af masser, drejer det sig om summen af en elektron-neutrinos såkaldte eigenstates, nemlig egenværdi, egenvektor og egenrum, som har forbindelse til Heisenbergs ubestemthedsrelationer og ikke summen af de 3 neutrinotyper el.lign.

0 < M(ν_μ) < 170 KeV (ca. 1/3 elektronmasse)

0 < M(ν_τ) < 15,5 MeV (ca. 30 elektronmasser)

Hvis den sterile neutrino eksisterer, "forudsiger" teorien (dvs. så er det en konsekvens af teorien), at den har en betydeligt større masse end nogen af de tre andre neutrinoer.

Neutrinoens usædvanlige egenskaber har givet anledning til en ny gren af fysikken.

Neutrinoer og overlyshastighed

I september 2011 beregnede forskere ved CERN i Schweitz, på grundlag af ca. 3 års målinger, neutrinoer til at rejse 60 nanosekunder (ns) hurtigere end lysets hastighed over en ca. 731,278 kilometers distance . Hvis målingerne bliver bekræftet i forsøg udført af andre forskere påvirker det gyldigheden af Einsteins specielle relativitetsteori, hvis vigtigste grundpostulat er, at intet i universet kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, og indirekte hans generelle relativitetsteori. Lignende målinger er tidligere foretaget (2000 og 2007) . Disse målinger gav næsten samme resultat (indenfor 2σ). OPERA-målingernes sikkerhed er langt større og ligger indenfor 6σ.

Tidsforskellen mellem neutrinoernes "rejsetid" fra CERN til OPERA-detektoren og den tid, det tager for lys at bevæge sig samme strækning, er δt = (60.7 ± 6.9 (stat.) ± 7.4 (sys.)) ns, hvor stat. betegner den statistiske usikkerhed og syst. den usikkerhed, der skyldes selve laboratorieopstillingen. Dette betyder, at den beregnede neutrinohastighed ligger omkring v_nu = c * (1 + 2,5 * 10^-5). Hvor sikre de nyeste målinger er, diskuteres bl.a. i tidsskriftet Science

En mulig forklaring på den målte forskel i hastighed er, at hvis der eksisterer en meget lille ekstra dimension, kan en neutrino måske benytte denne ekstra dimension, mens en foton kun kan bevæge sig i de 4 dimensioner. Dette kan medføre en forskel i målt hastighed mellem fotoner og neutrinoer.

Problemer med overlyshastighed

Afstand mellem detektorerne er relativt lille

Et par problemer med disse målinger er, at afstanden fra CERN til MINOS-detektorerne kun er ca. 734 km, OPERA-detektoren i Gran Sasso laboratoriet er 731.278±0,2 m fra CERN , dvs. meget lille i forhold til c. Dette giver gode muligheder for, at en tilfældig minimal fejl giver et dramatisk resultat.

Sammenligning med kendt observation

Sammenholder man de nye målinger med tidsforskellen i ankomst af neutrinoer og fotoner fra supernovaen 1987A (SN1987A) i den Store Magellanske Sky, er der meget stor uoverensstemmelse i neutrinohastighed.

Fra SN1987A ankom neutrinoerne ca. 3 timer før lyset (fotonerne). Dette passer fortrinligt med teorierne (fra både før og efter 1987) om supernovaer, idet materialet i supernovaen bliver gennemtrængeligt for neutrinoer længe før fotoner kan slippe ud, fordi opaciteten (uigennemsigtigheden) er betydeligt højere for fotoner end for neutrinoer. Indtil materialet har spredt sig milliarder af km, støder fotonerne ind i atomer og elektroner, opfanges, udsendes igen, opfanges, osv., i modsætning til neutrinoerne (se ovenfor om tykkelsen af en blyplade, der kan bremse neutrinoer).

Hvis neutrinoerne havde bevæget sig blot den lille smule hurtigere end fotonerne, som de nye målinger indikerer, ville de være ankommet ca. 4 år før fotonerne.

Neutrinohastighed efter den ny måling: v_neutrino ≈ (1 + 2,5 * 10^-5) * c ≈ 299.799.953 meter pr. sekund (m/s)

Afstanden til SN1987A ≈ 157.000 lysår (157 kly) - den for tiden bedst bestemte afstand til midten af den Store Magellanske Sky.

Fotoner: 157.000 * 9.46073473*10¹⁵/299.792.458 ≈ 4.954.545.429.000 sekunder

Neutrinoer: 157.000 * 9.46073473*10¹⁵/299.799.953 ≈ 4.954.421.000 sekunder

(4.954.545.429.000 – 4.954.421.000) s ≈ 123.860.000 s ≈ 3,925 års forskel.

Selv hvis afstanden til midten af den Store Magellanske Sky afviger fra de gentagne afstandsmålinger med en helt usandsynligt stor procentsats, fx 23%, forårsager forskellen mellem den målte hastighed for SN1987A og CERNs eksperiment en forskel i ankomsttid for neutrinoer på mere end 3 år.

Argumenter for og imod problemet med hastighedsforskel mellem OPERA og SN1987A

1. Som indvending mod problemet med hastighedsforskellen (δv) mellem neutrinoer fra SN1987A og OPERA-detektoren har Dr. Michael Schmitt anført, at hvis δv/c er en kvadratisk funktion af neutrino-energi, kan de to hastigheder harmoneres. Er funktionen derimod lineær står modsætningen fast.

Ad. 1. Mod denne indvending anføres, at den kvadratiske funktion næppe kan holde, fordi hvis man skalerer OPERA-resultatet til MeV kan man beregne en forsinkelse på ≈ 10 minutter mellem de mest energirige (39 MeV) og de mindst energirige (6 MeV) supernova-neutrinoer - men de blev målt til at ankomme med kun ≈ 15 sekunders forskel .

2. Efter modargumentet (ad. 1.) ovenfor,har Dr. Michael Schmitt regnet mere på den kvadratiske funktion, og mener at der er et rimeligt fit og ingen konflikt mellem OPERA-målingerne og SN1987A .

En enkel løsning på hastighedsproblemet uden inddragelse af eksotisk fysik

Baseret på deres dataanalyse antager holdet bag OPERA-afhandlingen, at produktion af de 16.111 myonneutrinoer er synkron med produktionen af protonerne. (synkron: Neutrinoer i samme tidsmæssige fordeling som afskudte protoner, dvs. et vist antal protoner producerer over hele burstets tidsforløb samme antal neutrinoer). En analyse af det statistiske grundlag for hastighedsbestemmelsen afslører, dette ikke nødvendigvis er korrekt. To indbyrdes uafhængige opponenter foreslår, at dette er årsagen til en fejlberegning af neutrinoernes hastighed. På dansk

Eksterne henvisninger

• Dark Cosmology Centre

Se også

• Subatomar partikel