Hvor får neutrinoer deres masse fra? Det er et mysterium, en af de mest forvirrende i standardmodellen for partikelfysik. Men et team af fysikere tror, de ved, hvordan de skal løse det.
Her er problemet: Neutrinos er underlige. Ultra-svage partikler, de fleste af dem er så lavenergi og uvæsentlige, at de passerer gennem hele planeten uden at stoppe. I årtier troede forskere, at de slet ikke havde nogen masse. I den originale version af standardmodellen, der beskriver partikelfysik, var neutrinoen helt vægtløs. For cirka to årtier siden ændrede det sig. Fysikere ved nu, at neutrinoer har masse, om end i små mængder. Og de er endnu ikke helt sikre på, hvorfor den masse er.
Vi kan imidlertid løse mysteriet, argumenterer en ny artikel, der blev offentliggjort 31. januar i tidsskriftet Physical Review Letters. Givet nok tid og data, bør neutrinoerne med den højeste energi, vi allerede kan opdage, hjælpe med at låse hemmelighederne op for deres masse.
Påvisning af neutrino resonanser
Neutrino har forskellige mængder energi: To ellers identiske partikler vil opføre sig meget forskelligt afhængigt af hvor meget energi de bærer.
De fleste neutrinoer, vi kan registrere, kommer fra vores sol og en håndfuld superlys lyse energikilder på Jorden (som nukleare reaktorer) og er relativt lav energi. Og neutrinoer med lav energi glider let gennem stofstykker uden at klæbe ind i noget. Men vores planet er også bombarderet af neutrinoer med meget højere energi. Og det er meget mere sandsynligt, at de banker ind i andre partikler, ligesom en trækkertrailer skrigende ned ad motorvejen i den forbipasserende bane.
Tilbage i 2012 kom en partikeldetektor online i Antarktis, der er designet til at opdage disse neutrinoer med højere energi. Men detektoren, der hedder IceCube, kan ikke føle dem direkte. I stedet ser det efter efterspørgslen efter neutrino-kollisioner med høj energi med vandmolekyler i den omgivende is - kollisioner, der producerer bursts af andre slags partikler, som IceCube kan registrere. Normalt er disse bursts rodede og producerer en række partikler. Men nogle gange er de usædvanligt rene - resultatet af en proces kaldet resonans, sagde studiemedforfatter Bhupal Dev, fysiker ved Washington University i St. Louis.
Når en neutrino smækker ind i en anden partikel, nærmere bestemt en elektron, e. Vil den undertiden gennemgå en proces, der kaldes Glashow-resonans, fortalte Dev til Live Science, at resonans moser de to partikler sammen og forvandler dem til noget nyt: en W boson. Først foreslået i 1959 kræver Glashow-resonans meget høje energier, og et enkelt eksempel kan have dukket op i IceCube i 2018, ifølge et 2018-foredrag på en neutrino-konference.
Men ifølge Dev og hans medforfattere kan der være andre typer resonanser derude. En af de mere populære teorier om, hvordan neutrinoer får deres masse, er kendt som "Zee-modellen." Og under Zee-modellen ville der være en anden type resonans som Glashow, der producerer en ny ny partikel, kendt som "Zee burst", skrev forskerne i den nye undersøgelse. Og denne resonans ville være inden for IceCube's evne til at opdage.
Hvis et Zee-burst blev fundet, ville det føre til en radikal opdatering af standardmodellen, hvilket fuldstændigt transformerer, hvordan fysikere ser neutrinoer, sagde Dev.
Zee-modellen ville gå fra en teori til fast videnskab, og den eksisterende model af neutrinoer ville blive smidt ud.
Men IceCube er kun følsom over for visse intervaller af neutrinoenergier, og betingelserne, der ville frembringe Zee-bursts, er på de ydre kanter af dette område. Givet tid vil IceCube på et tidspunkt i de næste 30 år sandsynligvis opdage en sådan hændelse.
Men heldigvis kommer opdateringer til IceCube, bemærkede forskerne. Når detektoren først er opgraderet til den meget større og mere følsomme IceCube-Gen 2 (det er ikke klart nøjagtigt, hvornår dette vil ske), skal den mere følsomme enhed være i stand til at afhente et Zee-burst inden for kun tre år - hvis Zee-bursts virkelig er der ude.
Og hvis Zee-burst ikke er derude, og Zee-modellen er forkert, vil mysteriet med neutrino-massen kun blive dybere.
