Neutrinojakt i Japans inre

Varje ögonblick passerar tusentals neutriner genom din kropp. De kommer från solen, från atmosfären, från radioaktiva sönderfall i dig eller runt om dig, från kärnkraftverk långt borta. Eller så råkar de bara passera när de plöjer genom universum, och varken du eller en flera ljusår tjock blyvägg kan stoppa dem.

Av de partiklar vi känner till är neutrinerna de minst kända, och samtidigt bland de talrikaste. Man har kallat dem spökpartiklar och försökt förklara universums energibudget och den mörka materien med hjälp av dem. Om vi förstår dem bättre kommer vi kanske också att förstå varför vår värld är byggd av materia och inte av antimateria.

Neutrinon är alltså en ovanlig partikel, eller rättare sagt tre familjer med sex partiklar: tre neutriner och tre antineutriner. Och de studeras i ett flertal stora internationella forskningsprojekt. Ett av de största är T2K, Tokai to Kamioka, som går ut på att skicka en stråle av neutriner med hög energi genom Japan, från acceleratorcentret J-PARC i Tokai på östkusten till Kamiokagruvan på västkusten.

Under den trettio mil långa färden genom jordskorpan förändras strålen. I detektorn på västkusten verkar neutrinerna vara betydligt färre än vad detektorn på östkusten visar. Eftersom neutrinerna är oladdade vet vi att bara en mycket liten del försvinner på vägen. Slutsatsen blir därför att de måste ha ändrat natur, bytt från en familj till en annan.

Det låter kanske inte så märkvärdigt, men släktskapet mellan de tre neutrinerna är detsamma – och lika avlägset – som det mellan elektronen och dess kusiner myonen och tauonen, som är 200 respektive 3 500 gånger tyngre. Om elektronerna spontant skulle förvandlas till sina kusiner, skulle vi leva i en mycket besynnerlig värld med ständigt föränderliga egenskaper. Men neutrinerna verkar alltså byta mellan sina olika skepnader, en oväntad egenskap som upptäcktes 2001. Det var det märkligaste som hade hänt i partikelfysiken på över tjugo år och belönades med Nobelpriset 2002.

Samtidigt stred detta mot den dittills så framgångsrika teorin som beskriver partikelvärlden – standardmodellen där neutrinerna saknar massa. Men om en partikel förvandlas till en annan måste den ha massa. Enligt relativitetsteorin färdas en masslös partikel nämligen i ljusets hastighet, och då står tiden stilla och inget kan förändras. Neutrinernas förvandlingskonst på färden kräver alltså en massa.

Denna överraskning ledde till febril aktivitet bland teoretiker och mynnade ut i behovet av en handfull nya, okända naturkonstanter vid sidan av de nitton som redan fanns med i standardmodellen. Därmed överlevde modellen och mängder av nytt fanns plötsligt att mäta, till glädje för både teoretiker och experimentalister.

De myonneutriner vi skapar på ena sidan av Japan måste alltså ha massa för att kunna förvandlas till tauneutriner och kanske elektronneutriner när vi mäter dem på andra sidan ön. Vår neutrinostråle bildas i två steg: först skapas de i en accelerator och strålas in i ett grafitblock. Där i krockarna med atomkärnorna bildas nya partiklar (pioner och kaoner) som snart sönderfaller till neutriner vilka fortsätter i väg genom sanden, under ett Shintotempel och bort mot Kamioka.

Knappt trehundra meter efter grafitblocket ligger en stor underjordisk station – närdetektorn – där vi mäter flödet av neutriner. De är så många att vi dagligen lyckas fånga tusentals i våra mätapparater, trots att de elektriskt neutrala neutrinerna ytterst sällan växelverkar med atomkärnor och bildar laddade partiklar som vi kan mäta.

I fjärrdetektorn däremot, Super-Kamiokande i Kamioka, fångar vi bara en handfull neutriner om dagen. För trots att den är betydligt större ligger den så långt bort att neutrinoflödet minskar dramatiskt.

Super-Kamiokande ligger djupt nere i en zinkgruva och består av en enorm tank fylld med 50 000 ton renat vatten och invändigt klädd med ljusdetektorer. När neutrinerna krockar med vattnet bildas laddade partiklar – myoner från myonneutriner och elektroner från elektronneutriner. Även tauoner från tauneutriner bildas i tanken, men de sönderfaller mycket snabbt till andra partiklar och är därför näst intill omöjliga att upptäcka. Runt om de laddade partiklarna alstras små ljusblixtar, och ljusets form avslöjar vilken typ av partikel som bildades. På så vis kan vi jämföra antalet myoner och elektroner i fjärrdetektorn med antalet i närdetektorn.

Man tänker sig att var och en av de tre neutrinerna består av olika blandningar av tre masstillstånd. Blandningen kan beskrivas av tre så kallade mixningsvinklar, varav vi någorlunda känner till två. Den tredje, som är avgörande för hur myonneutriner växlar till elektronneutriner, har ingen lyckats mäta än. Om vi lyckas mäta denna mixningsvinkel, den så kallade teta-1-3, kan vi vara på god väg att förstå skillnaden mellan materia och antimateria.

Samtidigt som vi mäter mixningsvinklarna mäter vi också skillnader mellan de tre tillståndens massa. Massan avgör hur snabbt en partikel kan färdas, och skillnaden i massa bestämmer därför hur snart vi kan vänta oss att de tre olika tillstånden glider isär från varandra. Denna glidning gör att neutrinoblandningen hela tiden förändras, och sannolikheten att den ska motsvara till exempel en elektronneutrino varierar längs färden.

Måttet för när neutrinerna byter identitet och blir en annan sort är kvoten mellan färdsträckan och deras energi. Lite förenklat är det därför vi mäter den neutrinoenergi som ger maximal förändring över en viss färdsträcka – i vårt fall trettio mil – och storleken på denna förändring.

Med dessa två värden kan vi bygga en hel modell för hur neutriner fungerar. Fast mycket ligger fortfarande utanför vår räckvidd. Vi kan till exempel inte mäta neutrinernas absoluta massa, bara skillnader i massa mellan tillstånden. Vi kan heller inte få svar på den viktiga frågan om neutriner är sina egna antipartiklar eller inte. Lyckligtvis finns det andra stora experiment som letar efter de svaren.

Strålen slogs på i början av 2010, och vi har redan samlat mycket mätdata som vi nu analyserar noga. Neutrinoflödet är på väg att bli världens högsta. Först vill vi mäta hur många myonneutriner som försvinner på vägen. Andra har som sagt gjort det tidigare, men vi tänker göra det mycket noggrannare.

Därefter börjar det svåra arbetet med att hitta spår av elektronneutriner som uppstår i strålen. Svårigheten är att de redan i början finns där som en förorening. Dessutom kan de lätt blandas ihop med andra partikelreaktioner skapade av myonneutriner. Men vi är över femhundra forskare världen över som arbetar i T2K-experimentet, och med våra gemensamma ansträngningar hoppas vi att neutrinogåtan snart ska vara på väg att lösas.