Neutrinoer er måske den mest forundrede af de kendte partikler. De blokerer simpelthen for alle de kendte regler for, hvordan partikler burde opføre sig. De spotter på vores smarte detektorer. Ligesom kosmiske katte fælder de i hele universet uden bekymring eller pleje, og de lejlighedsvis interagerer med resten af os, men egentlig kun når de har lyst til det, hvilket ærligt ikke er så ofte.
Mest frustrerende af alle, de bærer masker og ser aldrig på samme måde to gange.
Men et nyt eksperiment kan have taget os bare et skridt nærmere på at rive bort disse masker. At afsløre den rigtige neutrinoidentitet kan hjælpe med at besvare langvarige spørgsmål, som om neutrinoer er deres egne antimaterielle partnere, og det kan endda hjælpe med at forene naturens kræfter i en sammenhængende teori.
Et massivt problem
Neutrinoer er underlige. Der er tre slags: elektronneutrino, muonneutrino og tau neutrino. (Der er også antipartikelversioner af disse tre, men det er ikke en stor del af denne historie.) De er så navngivne, fordi disse tre slags får fest med tre forskellige slags partikler. Elektronneutrinoer deltager i interaktioner, der involverer elektroner. Muon-neutrinoer parres sammen med muoner. Ingen point tildeles for at gætte, hvad tau neutrino interagerer med.
Indtil videre er det slet ikke underligt. Her kommer den underlige del.
For partikler, der er ikke neutrinoer - som elektroner, muoner og taupartikler - hvad du ser er hvad du får. Disse partikler er alle nøjagtigt de samme undtagen for deres masser. Hvis du ser en partikel med massen af et elektron, vil den opføre sig nøjagtigt som et elektron skal opføre sig, og det samme gælder for muon og tau. Hvad mere er, når du først har set et elektron, vil det altid være et elektron. Intet mere, intet mindre. Samme for muon og tau.
Men det samme gælder ikke deres kusiner, elektron-, muon- og tau-neutrinoerne.
Hvad vi kalder, siger, "tau neutrino" er ikke altid tau neutrino. Det kan ændre sin identitet. Det kan blive, midtflyvning, en elektron- eller muonneutrino.
Dette underlige fænomen, som stort set ingen forventede, kaldes neutrino-svingning. Det betyder blandt andet, at du muligvis kan oprette en elektronneutrino og sende den til din bedste ven som en gave. Men når de får det, kan de blive skuffede over at finde en tau neutrino i stedet.
Vippen
Af tekniske grunde fungerer neutrino-svingningen kun, hvis der er tre neutrinoer med tre forskellige masser. Men neutrinoerne, der svinger, er ikke de elektron-, muon- og tau-aromatiserede neutrinoer.
I stedet er der tre "ægte" neutrinoer, hver med forskellige, men ukendte masser. En markant blanding af disse ægte, grundlæggende neutrinoer skaber hver af neutrino-smagene, vi opdager i vores laboratorier (elektron, muon, tau). Så den laboratoriemålte masse er en blanding af de rigtige neutrino-masser. I mellemtiden styrer massen af hver ægte neutrino i blandingen, hvor ofte den omformes til hver af de forskellige smag.
Jobbet for fysikere nu er at adskille alle relationer: Hvad er masserne af disse rigtige neutrinoer, og hvordan blandes de sammen for at få de tre smag?
Så fysikere er på jagt for at afsløre masserne af de "sande" neutrinoer ved at se på hvornår og hvor ofte de skifter smag. Igen er fysik-jargongen meget nyttigt, når man forklarer dette, da navnene på disse tre neutrinoer simpelthen er m1, m2 og m3.
En række omhyggelige eksperimenter har lært forskere nogle ting om masserne af de sande neutrinoer, i det mindste indirekte. For eksempel ved vi om nogle af forholdene mellem massernes firkant. Men vi ved ikke nøjagtigt, hvor meget nogen af de rigtige neutrinoer vejer, og vi ved ikke, hvilke der er tungere.
Det kan være, at m3 er den tyngste, langt opvejer m2 og m1. Dette kaldes "normal ordning", fordi det forekommer temmelig normalt - og det er de ordrer fysikere, der i det væsentlige gættede årtier siden. Men baseret på vores nuværende videnstilstand, kan det også være, at m2 er den tyngste neutrino, med m1 ikke langt bagefter og m3 ubetydelig i sammenligning. Dette scenarie kaldes "omvendt rækkefølge", fordi det betyder, at vi gætte forkert orden oprindeligt.
Der er naturligvis lejre af teoretikere, der pining for hvert af disse scenarier at være sandt. Teorier, der forsøger at forene alle (eller i det mindste de fleste) af naturkræfterne under et enkelt tag kræver typisk normal neutrino-masseordre. På den anden side er orden i omvendt masse nødvendigt for, at neutrinoen er sin egen antipartikel-tvilling. Og hvis det var sandt, kunne det hjælpe med at forklare, hvorfor der er mere stof end antimaterie i universet.
DeepCore træning
Hvilken er det: normal eller omvendt? Det er et af de største spørgsmål, der dukker op fra de sidste par årtier med neutrino-forskning, og det er nøjagtigt den slags spørgsmål, som det massive IceCube Neutrino-observatorium var designet til at besvare. Beliggende på Sydpolen består observatoriet af snesevis af detektorstrenge, der er sunket ned i det antarktiske isark, med en central "DeepCore" af otte strenge mere effektive detektorer, der er i stand til at se interaktioner med lavere energi.
Neutrinoer snakker næppe til normal stof, så de er perfekt i stand til at sprænge direkte gennem selve Jordens krop. Og når de gør det, vil de omformes til de forskellige smag. Hver gang sjældent vil de slå et molekyle i det antarktiske isark nær IceCube-detektoren og udløse et brusende brus af partikler, der udsender et overraskende blåt lys kaldet Cherenkov-stråling. Det er dette lys, som IceCube-strengene registrerer.
I et nyligt papir, der blev offentliggjort i det fortrykte tidsskrift arXiv, anvendte IceCube-forskere tre års DeepCore-data til at måle, hvor mange af hver slags neutrino, der passerede gennem Jorden. Fremskridt er naturligvis langsom, fordi neutrinoer er så svære at fange. Men i dette arbejde. forskerne rapporterer en lille præference i dataene for normal ordning (hvilket ville betyde, at vi gætte for rigtigt for flere årtier siden). De har dog ikke fundet noget for konkret endnu.
Er det alt, hvad vi får? Bestemt ikke. IceCube forbereder sig snart på en større opgradering, og nye eksperimenter som Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) og Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) er klar til at tackle dette centrale spørgsmål også. Hvem vidste, at et så simpelt spørgsmål om ordningen af neutrino-masser ville afsløre så meget af den måde universet fungerer på? Det er synd, det er heller ikke et let spørgsmål.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for "Spørg en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter af"Dit sted i universet."
