Neutriner

Varje sekund strömmar tusentals miljarder neutriner genom din kropp. Du ser dem inte, du känner inget. Neutriner rusar rakt igenom rymden med nära ljusets hastighet och växelverkar nästan aldrig med materia. Varifrån kommer de?

En del skapades redan i big bang, andra bildas ständigt i allehanda processer i rymden och på jorden – från supernovaexplosionerna, som är massiva stjärnors dödsögonblick, till reaktionerna i kärnkraftverk och det naturligt förekommande radioaktiva sönderfallet. Till och med inne i våra kroppar frigörs i snitt 5 000 neutriner i sekunden vid sönderfall av en isotop av grundämnet kalium. De flesta neutriner som anländer till jorden har sin källa i kärnreaktionerna i solens inre. Näst efter ljuspartiklarna, fotonerna, är neutrinerna flest till antalet i hela universum.

Länge ansågs det inte ens säkert att de fanns. Snarare tvärtom. När partikeln föreslogs av österrikaren Wolfgang Pauli var det mest som ett desperat försök att förklara hur energin kan bevaras i ett känt radioaktivt sönderfall, ett så kallat betasönderfall. I december 1930 skrev Pauli ett brev till sina fysikerkolleger som han tilltalade med ”Kära radioaktiva damer och herrar”. I brevet föreslog han att en del av energin tas bort av en elektriskt neutral, svagt växelverkande och mycket lätt partikel. Själv trodde Pauli knappast på partikelns existens. ”Jag har gjort något förfärligt. Jag har föreslagit en partikel som inte kan upptäckas”, lär han ha sagt.

Ganska snart kunde italienaren Enrico Fermi presentera en elegant teori som omfattade även Paulis lilla neutrala partikel. Den döptes till neutrino. Att denna oansenliga partikel skulle bli omvälvande – både för partikelfysiken och för kosmologin – hade ingen kunnat förutse. Det dröjde ytterligare ett kvarts sekel innan neutrinon faktiskt upptäcktes.

Chansen dök upp i början av 1950-talet när neutriner i stora mängder började strömma ut från de då nybyggda kärnkraftverken. I juni 1956 sände ett par amerikanska fysiker, Frederick Reines och Clyde Cowan, ett telegram till Wolfgang Pauli om att neutrinerna hade lämnat spår i deras detektor. Experimentet visade att poltergeist, som den spöklika neutrinon hade kallats, var en äkta partikel.

Årets Nobelprisbelönade upptäckt löste den neutrinogåta som först uppenbarades på 1960-talet. Jämfört med teoretiska beräkningar för hur många neutriner som bildas i de kärnreaktioner som får solen att lysa, fattades det upp till två tredjedelar i mätningarna på jorden. Vart tog neutrinerna vägen?

Det saknades inte förslag. Kanske var det fel på de teoretiska beräkningarna av hur solen alstrar neutriner? Ett annat förslag för att lösa neutrinogåtan var att neutrinerna växlar identitet. Enligt standardmodellen för partikelfysik finns det tre slags neutriner: elektron-, myon- och tauneutriner. Solen alstrar endast elektronneutriner, men om de nu omvandlas till myon- eller tau-neutriner på vägen till jorden så kan underskottet av de infångade elektron-neutrinerna bli begripligt.

Spekulationerna om neutrinernas identitetsbyten förblev just bara spekulationer ända tills stora och sofistikerade anläggningar kom i gång. Super-Kamiokande startade sina mätningar 1996 i en zinkgruva 25 mil nordväst om Tokyo. Det är en gigantisk detektor byggd 1 000 meter under jordytan, och den består av en tank, 40 meter hög och lika bred, fylld med 50 000 ton vanligt vatten. Runt om tanken sitter 11 000 ljusdetektorer som ska upptäcka, förstärka och mäta mycket svaga ljusblixtar i det rena vattnet.

De allra flesta neutriner passerar rakt igenom tanken. Men då och då händer det att en neutrino kolliderar med en atomkärna eller en elektron i vattnet. Då bildas laddade partiklar som alstrar svaga blå ljusblixtar, så kallad tjerenkovstrålning. Den uppstår när en partikel rör sig snabbare än ljuset. Visserligen får enligt Einsteins relativitetsteori inget färdas snabbare än ljus i vakuum. Men i vattnet bromsas ljuset till bara 75 procent av sin maximala hastighet, och kan då bli ”omsprunget” av de laddade partiklarna. Tjerenkovstrålningens form och intensitet avslöjar vilken sorts neutrino som orsakade den och varifrån den kom.

Super-Kamiokande mätte neutriner som producerats av den kosmiska strålningen. Partiklarna i den kosmiska strålningen kommer från alla håll i rymden, och när de i hög fart kolliderar med molekyler i jordens atmosfär uppstår reaktioner som producerar skurar av neutriner. Super-Kamiokande fångade både de myonneutriner som kom direkt uppifrån atmosfären, och dem som kom nerifrån och som hade färdats till detektorn tvärsigenom hela jordklotet. Neutrinerna borde vara lika många – jordklotet utgör inget större hinder för dem.

Men de myonneutriner som kom raka vägen ner till detektorn var fler än de som hade passerat genom jorden. Det tydde på att de myonneutriner som for den längre sträckan hade tid att byta identitet, till skillnad från dem som kom direkt uppifrån och bara hade färdats några tiotal kilometer. Eftersom antalet elektronneutriner som anlände till detektorn stämde väl, oberoende av vilket håll de kom ifrån, torde myonneutrinerna ha omvandlats till den tredje sorten – tauneutriner. Deras passage kunde dock inte upptäckas av detektorn.

En avgörande pusselbit föll på plats när Sudbury neutrino observatory, SNO, byggt i en nickelgruva i Ontario, USA, påbörjade observationerna 1999. SNO mätte neutriner från solen, där kärnprocesserna bara skickar i väg elektronneutriner. Två kilometer under markytan bevakades elektronneutrinernas framfart av 9 500 ljusdetektorer i en tank fylld med 1 000 ton tungt vatten. Det skiljer sig från vanligt vatten genom att varje väteatom i vattenmolekylen också har en neutron i sin kärna och bildar väteisotopen deuterium.

Deuteriumkärnan ger fler möjligheter för neutrinerna att kollidera i detektorn. Vid vissa reaktioner mätte forskarna antalet av alla tre slags neutriner, utan att skilja dem åt. Andra tillät endast mätning av antalet elektronneutriner. I och med att solen bara alstrar elektronneutriner förväntades båda mätsätten ge samma svar. Men mätningarna visade att antalet elektronneutriner var lägre än summan av alla tre sorter tillsammans. Det tydde på att elektronneutrinerna måste ha ändrat identitet under sin cirka 150 miljoner kilometer långa resa från solen.

Tillsammans ledde experimenten till en omvälvande slutsats: metamorfosen kräver att neutrinerna har massa. Annars kan de inte förvandlas. Hur går då denna förändring till?

Det krävs kvantfysik för att förklara neutrinernas förvandlingsnummer. I kvantvärlden är partikel och våg olika aspekter av samma fysikaliska tillstånd. En partikel med viss energi motsvaras av en våg med viss frekvens. Enligt kvantfysiken representeras elektron-, myon- och tauneutrinerna av överlagrade vågor som motsvarar neutrinotillstånd med olika massa. När vågorna är i fas går det inte att skilja mellan de olika neutrinoidentiteterna. Men när en neutrino färdas genom rummet kommer vågorna ur fas och längs vägen överlagras de på ett skiftande sätt med varandra. Hur det förhåller sig på en given plats ger sannolikheten för vilken sorts neutrino som det är mest troligt att finna där. Sannolikheten varierar från en plats till en annan, de oscillerar, och neutrinerna dyker upp i sina olika identiteter.

Detta besynnerliga beteende beror alltså på att neutrinernas massa är olika. Experimenten pekar mot att skillnaden är oerhört liten. Neutrinernas massa uppskattas också vara väldigt liten, utan att den hittills kunnat mätas direkt. Fast med den enorma mängden neutriner i universum blir till och med en mycket liten massa rätt betydelsefull. Sammanlagt uppskattas neutrinerna väga ungefär lika mycket som rymdens alla lysande stjärnor tillsammans.

För partikelfysiken är upptäckten av neutrinernas massa epokgörande. Dess standardmodell av materiens innersta hade varit oerhört framgångsrik och i drygt 20 år stått emot alla experimentella utmaningar. Men modellen förutsätter att neutrinerna saknar massa. Nu har det blivit uppenbart att standardmodellen inte kan utgöra den kompletta teorin för hur universums fundamentala beståndsdelar fungerar.

Den i år Nobelprisbelönade upptäckten gav en avgörande inblick i den nästan helt dolda neutrinovärlden. Nu fortsätter experimenten, och en febril verksamhet pågår världen över för att fånga neutrinerna och närmare utforska deras okända egenskaper: Vilken massa har neutrinerna? Varför är de så lätta? Finns det fler varianter än de tre redan kända? Är neutriner sina egna antipartiklar? Varför är de så olika andra kända elementarpartiklar? Nya avslöjanden om neutrinernas djupaste hemligheter förväntas ändra våra föreställningar om universums historia, uppbyggnad och framtida öde.

Arthur B. Mcdonald

Född år 1943 i Kanada. Han ledde forskargruppen vid SNO. I dag är han professor vid Queens university i Kingston, Kanada.

Takaaki Kajita

Född år 1959 i Japan. Han ledde experimentet vid Super-Kamiokande. I dag är han professor vid University of Tokyo.