På den subatomära nivån består vår värld av olika partiklar. Det finns emellertid en typ av partikel som går förbi utan att uppmärksamma sig själv. En neutrino har en liten massa och har ingen elektrisk laddning. Därför känner det inte den elektromagnetiska kraften, som dominerar vid atomvågen och kommer att passera de flesta ämnen utan effekt. Detta skapar en nästan oupptäckbar partikel, trots att biljoner passerar jorden varje sekund [1].

Paulis lösning

Under de tidiga 1900-talet var partikelfysik och strålning nyligen upptäckta och undersöktes noggrant. De tre typerna av radioaktivitet hade upptäckts: alfapartiklar, beta-partiklar och gammastrålar. Utsända alfapartikel- och gammastrålenergier sågs förekomma vid diskreta värden. Omvänt observerades energin från utsända betapartiklar (elektroner) som att följa ett kontinuerligt spektrum, varierande mellan noll och ett maximivärde [2]. Denna upptäckt tycktes bryta mot den grundläggande lagen om energibesparing och öppna ett gap i förståelsen av naturens byggstenar.

Wolfgang Pauli föreslog idén om en ny partikel, genom brev till ett fysikmöte, som en djärv lösning på problemet 1930. Pauli utnämnde sin teoretiska partikel till neutronen. Denna nya partikel löste energiproblemet, eftersom endast kombinationen av elektron- och neutronenergier hade ett konstant värde. Avsaknaden av laddning och massa innebar bekräftelse av den nya partikeln verkade extremt avlägsen; Pauli ursäktade till och med för att förutspå en partikel som han ansåg omöjlig att upptäcka [3].

Två år senare upptäcktes en elektrisk neutral partikel. Den nya partikeln fick namnet neutron, men det var inte Paulis "neutron". Neutronen upptäcktes med en massa som var långt ifrån försumbar. Teorin bakom beta-förfall formulerades slutligen 1933 av Enrico Fermi. Förutom att integrera neutronen var Paulis teoretiska partikel, nu kallad neutrino 2, en avgörande del av formeln. Fermis arbete är fortfarande en avgörande del av partikelfysiken idag och introducerade den svaga interaktionen till listan över grundläggande krafter. [2]

1 Begreppet partikelfysik är väl etablerat nu men 1930 hade bara två partiklar upptäckts, protoner och elektroner.

2 Ett naturligt namn för italienska Fermi, med suffixet -ino, som bokstavligen översätter som lite neutron.

Wolfgang Pauli, teoretisk fysiker bakom neutrinoen. |

Upptäckten av neutrino

Pauli skulle vänta i cirka 20 år tills han äntligen såg sitt förutsägelse bekräftat. Frederik Reines och Clyde L. Cowan Jr designade ett experiment för att upptäcka neutrino. Grunden för experimentet var det stora neutrino-flödet från kärnreaktorer (i storleksordningen 10 13 per sekund per cm 2 ). Beta-sönderfall och neutronförfall i reaktorn ger anti-neutrino. De kommer sedan att interagera med protoner enligt följande,

producerar en neutron och positron. Det utsända positronet kommer snabbt att kollidera med en elektron, förstöra och producera två gammastrålar. Positronen kan därför detekteras av två gammastrålar, med rätt energi, och reser i motsatta riktningar.

Detektering av en positron ensam är inte tillräckligt med bevis för neutrino, den utsända neutronen måste också detekteras. Kadmiumklorid, en stark neutronabsorberare, tillsattes till detektorens vätsketank. När kadmium absorberar en neutron upphetsar den och avspännar därefter enligt nedan,

avger en gammastråle. Att upptäcka denna extra gammastråle snart tillräckligt efter de första två ger bevis på en neutron, vilket visar att det finns neutrinoer. Cowan och Reines upptäckte cirka 3 neutrinohändelser per timme. 1956 publicerade de sina resultat; beviset på neutrinoxistens. [4]

Teoretiska förbättringar

Även om neutrinoer hade upptäckts fanns det fortfarande några viktiga egenskaper som ännu inte hade identifierats. Vid tidpunkten för neutralisering av neutrino, var elektron det enda lepton som upptäcktes, även om partikelkategorin av lepton ännu inte hade föreslagits. 1936 upptäcktes muon [5]. Tillsammans med muon upptäcktes en tillhörande neutrino och Paulis neutrino döpades om igen till elektronneutrino. Den sista generationen av lepton, tau, upptäcktes 1975. Den tillhörande tau neutrino upptäcktes så småningom 2000 [3]. Detta fullbordade uppsättningen av alla tre typer (smaker) neutrino. Det har också upptäckts att neutrinoerna kan växla mellan deras smaker och denna växling kan hjälpa till att förklara obalansen mellan materia och antimateria i det tidiga universum [1].

Paulis ursprungliga lösning antar att neutrino är masslös. Teorin bakom ovannämnda smakomkoppling krävde emellertid neutrinoer att ha viss massa. 1998 upptäckte Super-Kamiokande-experimentet att neutrinoer hade en liten massa, med olika smaker med varierande massor [6]. Detta gav ledtrådar för svaret på frågan var massan kommer ifrån och föreningen av naturens krafter och partiklar.

Super-Kamiokande-experimentet. |

Neutrino-applikationer

En spöklik partikel som nästan är omöjlig att upptäcka kanske inte verkar ge några användbara fördelar för samhället, men vissa forskare arbetar med praktiska applikationer för neutrino. Det finns en uppenbar användning av neutrino som återgår till deras upptäckt. Upptäckt av neutrino kan hjälpa till att hitta dolda kärnreaktorer på grund av det ökade neutrino-flödet i närheten av en reaktor. Detta skulle hjälpa till att övervaka rogue stater och se till att kärnkraftsfördrag följs. Det största problemet skulle dock vara att upptäcka dessa fluktuationer på avstånd [7]. I Cowan and Reines-experimentet placerades detektorn 11 m från reaktorn samt 12m under jord, för att skydda den från kosmiska strålar [4]. Betydande förbättringar av detektorkänsligheten skulle krävas innan detta kan distribueras i fältet.

Den mest intressanta användningen av neutrino är höghastighetskommunikation [7]. Strålar av neutrino kan skickas, nära ljushastigheter, rakt genom jorden istället för runt jorden, som i konventionella kommunikationsmetoder. Detta skulle möjliggöra extremt snabb kommunikation, särskilt användbar för applikationer som finansiell handel. Kommunikation med neutrino-strålar skulle också vara en stor tillgång för ubåtarna. Aktuell kommunikation är omöjlig vid stora havsdjup och ubåtar måste riskera att detekteras genom att ytan ytas eller flyter. Naturligtvis skulle svagt växelverkande neutrinoer inte ha några problem att penetrera ett havsdjup. Faktum är att genomförbarheten av kommunikation redan har visats av forskare vid Fermilab. De kodade ordet "neutrino" i binärt och överförde sedan denna signal med hjälp av NuMI-neutrino-strålen, där 1 är en grupp neutrino och 0 är en frånvaro av neutrino. Denna signal avkodades sedan framgångsrikt av MINERvA-detektorn. [8]

Problemet med att upptäcka neutrinoerna är dock fortfarande en stor barriär att övervinna innan denna teknik kommer att införlivas i verkliga projekt. För denna prestation krävs en intensiv källa till neutrinoer för att producera stora grupper av neutrinoer, vilket säkerställer att tillräckligt kan detekteras för att känna igen en 1. En stor, tekniskt avancerad detektor krävs också för att säkerställa att neutrinoerna upptäcks korrekt. MINERvA-detektorn väger flera ton. Dessa faktorer säkerställer att neutrino-kommunikation är en teknik för framtiden snarare än för närvarande. [8]

Det fetaste förslaget för användning av neutrino är att de kan vara en metod för kommunikation med extra markbundna varelser på grund av det otroliga utbud de kan resa. Det finns för närvarande ingen utrustning för att stråla neutrinoer i rymden och om utlänningarna skulle kunna avkoda vårt budskap är helt annorlunda en fråga. [7]

MINERvA-detektorn på Fermilab. |

Slutsats

Neutrinoen började som en extrem hypotetisk lösning på ett problem som hotade giltigheten för standardmodellen och avslutade decenniet som en väsentlig del av den modellen, som fortfarande är den accepterade grunden för partikelfysik. De förblir fortfarande som de mest svårfångade partiklarna. Trots detta är neutrino nu ett viktigt studierområde som kan hålla nyckeln bakom att avslöja hemligheter om inte bara vår sol, vårt universums ursprung och ytterligare komplikationer med standardmodellen. En dag i framtiden kan neutrino till och med användas för praktiska tillämpningar, till exempel kommunikation. Vanligtvis i skuggan av andra partiklar kan neutrinoer komma i framkant för framtida fysikgenombrott.

referenser

[1] C. Whyte och C. Biever, Neutrinos: Allt du behöver veta, New Scientist (september 2011), Åtkomst till 18/09/2014, URL: http://www.newscientist.com

[2] H. Muryama, Ursprunget till neutrino-massan, Physics World (maj 2002), Åtkomst 19/09/2014, URL: http://hitoshi.berkeley.edu/neutrino/PhysicsWorld.pdf

[3] D. Wark, Neutrinos: ghosts of matter, Physics World (juni 2005), åtkom den 19/09/2014, URL: http://physicsworld.com

[4] R. Nave, Cowan och Reines Neutrino Experiment, HyperPhysics, tillgängligt 20/09/2014, URL: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/particles/cowan.html

[5] Muon, Encyclopaedia Britannica, Åtkomst den 21/09/2014, URL: http://www.britannica.com/EBchecked/topic/397734/muon

[6] Forskare upptäcker att Neutrinos har massa, Science Daily, öppnas 21/09/2014, URL: http://www.sciencedaily.com/releases/1998/06/980605080658.htm

[7] K. Dickerson, en osynlig partikel kan vara byggstenen för en del otrolig ny teknik, Business Insider, tillgänglig 20/09/2014, URL: http://www.businessinsider.com

[8] T. Wogan, Neutrino-baserad kommunikation är en första, fysikvärlden (mars 2012), åtkom den 20/09/2014, URL: http://physicsworld.com