Neutrinoer er nogle af de mest rigelige, nysgerrige og undvigende critters i partikelfysik. Nogle af dem har eksisteret siden Big Bang, og ligesom du har læst dette, er billioner af dem passeret gennem din krop (og flere er på vej.) Men på trods af deres allestedsnærværende er neutrinoer notorisk vanskelige at studere netop fordi de ignorere stort set alt, der er lavet af noget andet. Så det er ikke overraskende, at det ikke er så simpelt at veje en neutrino som høfligt at bede en om at gå på en skala.
Heldigvis er partikelfysikere en vedholdende masse, inklusive dem på U.S. Department of Energy's Fermilab, og de opgiver ikke deres seneste neutrinosafari: NuMI Off-Axis Electron Neutrino Appearance-eksperimentet eller NOvA. (Forskere repræsenterer neutrinoer med det græske bogstav nu, ellerv.) Det er en meget lille vildtjagt at fange neutrinoer på farten, og den bruger noget meget stort udstyr til at gøre jobbet. Og det er allerede fanget sine første neutrinoer - allerede før deres opsætning er fuldstændig.
Oprettet ved at knuse protoner mod grafitmål i Fermilabs anlæg lige uden for Chicago, Illinois, og resulterende neutrinoer er samlet og skudt ud i en bjælke 500 mil nordvest til NOvA-fjerndetektoren i Ash River, Minnesota, beliggende langs den canadiske grænse. De allerførste bjælker blev fyret i september 2013, mens Ash River-anlægget stadig var under opførelse.
”At de første neutrinoer er blevet fundet, allerede før NOvA-fjerndetektorinstallationen er afsluttet, er en rigtig hyldest til alle involverede,” sagde fysiker fra University of Minnesota Marvin Marshak, direktør for Ash River Laboratory. ”Dette tidlige resultat antyder, at NOvA-samarbejdet vil give vigtige bidrag til vores viden om disse partikler i den ikke så fjerne fremtid.”
Strålerne fra Fermilab fyres med to sekunders intervaller, der hver sender milliarder af neutrinoer direkte mod detektorerne. Nærdetektoren ved Fermilab bekræfter den oprindelige "smag" af neutrinoer i strålen, og den meget større fjerndetektor afgør derefter, om neutrinoerne har ændret sig under deres tre-millisekunders underjordiske mellemstatlige rejse.
Igen, fordi neutrinoer ikke let interagerer med almindelige partikler, kan bjælkerne let køre direkte gennem jorden mellem faciliteterne - trods jordens krumning. Faktisk stråler, der starter 150 fod (45 meter) under jorden nær Chicago, passerer til sidst over 10 km dybt under sin rejse.
Ifølge en pressemeddelelse fra Fermilab kommer neutrinoer i tre typer, kaldet smag (elektron, muon eller tau), og skifter mellem dem, når de rejser. De to detektorer i NOvA-eksperimentet er placeret så langt fra hinanden for at give neutrinoerne tid til at svinge fra en smag til en anden, mens de rejser med næsten lysets hastighed. Selvom kun en brøkdel af eksperimentets større detektor, kaldet fjerndetektoren, er fuldt bygget, fyldt med scintillator og kablet med elektronik på dette tidspunkt, har eksperimentet allerede brugt det til at registrere signaler fra dets første neutrinoer. ”
De 50 fod (15 m) høje detektorblokke er fyldt med en flydende scintillator, der er lavet af 95% mineralolie og 5% flydende kulbrinte kaldet pseudocumen, som er giftig, men "vigtig for den neutrino-detekteringsproces." Blandingen forstørrer ethvert lys, der rammer det, så neutrino-strejkerne lettere kan opdages og måles. (Kilde)
”NOvA repræsenterer en ny generation af neutrino-eksperimenter,” sagde Fermilab-direktør Nigel Lockyer. ”Vi er stolte af at nå denne vigtige milepæl på vores måde at lære mere om disse grundlæggende partikler.”
Efter afslutningen i sommer vejer NOvAs nær- og fjerndetektorer henholdsvis 300 og 14.000 tons.
Målet med NOvA-eksperimentet er med succes at fange og måle masserne af de forskellige neutrino-smagsstoffer og også bestemme, om neutrinoer er deres egne antipartikler (de kan være de samme, da de mangler specifik ladning.) Ved at sammenligne svingningerne (dvs. smag ændringer) af muonneutrino-stråler mod muon-antineutrino-stråler fyret fra Fermilab, håber forskere at bestemme deres massehierarki - og i sidste ende opdager, hvorfor universet i øjeblikket indeholder meget mere stof end antimaterie.
Læs mere: Neutrino-detektion kan hjælpe med at male et helt nyt billede af universet
Når eksperimentet er fuldt operationelt, forventer forskere at fange et dyrebart par neutrinoer hver dag - ca. 5.000 i alt i løbet af dets seks år lange løb. Indtil da har de i det mindste nu deres første par på bøgerne.
”At se neutrinoer i de første moduler af detektoren i Minnesota er en vigtig milepæl. Nu kan vi begynde at lave fysik. ”
- Rick Tesarek, Fermilab-fysiker
Lær mere om udvikling og konstruktion af NoVA-eksperimentet nedenfor:
(Videokredit: Fermilab)
Find ud af mere om NOvA-forskningsmålene her.
Kilde: Fermilab pressemeddelelse
NOvA-samarbejdet består af 208 videnskabsfolk fra 38 institutioner i USA, Brasilien, Den Tjekkiske Republik, Grækenland, Indien, Rusland og Det Forenede Kongerige. Eksperimentet modtager finansiering fra U.S. Department of Energy, National Science Foundation og andre finansieringsbureauer.
