Varför fysikerna jagar den mest spännande av spökpartiklarna


Varje sekund på varje dag blir du bombarderad av trillioner på trillioner av subatomära partiklar och duschar ner från djupet av rymden. De blåser genom dig med styrkan i en kosmisk orkan, som spränger i nästan ljusets hastighet. De kommer från hela himlen, hela tiden på dagen och natten. De tränger in i jordens magnetfält och vår skyddande atmosfär som så mycket smör.

Och ändå är håret på toppen av ditt huvud inte ens ruffled.

Vad pågår?

Dessa små lilla kulor kallas neutrinor, en term som myntade 1934 av den lysande fysikern Enrico Fermi. Ordet är vagt italienskt för "lite neutralt," och deras existens var hypotes för att förklara en mycket nyfiken kärnreaktion. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Ibland känns element lite … instabil. Och om de lämnar sig ensamma för länge faller de ifrån varandra och omvandlar sig till något annat, något lite lättare på det periodiska bordet. Dessutom skulle en liten elektron dyka upp. Men på 1920-talet hittade försiktiga och detaljerade observationer av dessa fällningar små, niggling avvikelser. Den totala energin i början av processen var en liten bit större än den energi som kom ut. Matematiken kompletterade inte. Udda.

Så, några fysiker concocted en helt ny partikel av hela tyg. Något att bära bort den saknade energin. Något litet, något lätt, något utan kostnad. Något som kunde glida genom sina detektorer obemärkt.

En liten, neutral. En neutrino.

Det tog ytterligare ett par decennier för att bekräfta deras existens – det är så haltigt och lustigt och luskigt de är. Men 1956 gick neutriner till den växande familjen av kända, uppmätta, bekräftade partiklar.

Och då blev det konstigt.

Problemet började brygga med upptäckten av muonen, som tillfälligt inträffade ungefär samma tid som neutrino-idén började vinna marken: 1930-talet. Muon är nästan exakt som en elektron. Samma laddning. Samma snurrning. Men det är annorlunda på ett avgörande sätt: Det är tyngre, över 200 gånger mer massivt än sin syskon, elektronen.

Muons deltar i sina egna speciella typer av reaktioner, men tenderar inte att hålla länge. På grund av sin imponerande massa är de väldigt instabila och snabbt förfallna till duschar med mindre bitar ("snabbt" betyder här inom en mikrosekund eller två).

Det är allt bra och bra, så varför munnar ritar in i neutrino-historien?

Fysiker noterade att sönderfallsreaktioner som föreslog att neutrino existerade alltid hade en elektron ut och aldrig en muon. I andra reaktioner skulle muoner popa ut, och inte elektroner. För att förklara dessa fynd motiverade de att neutrinoer alltid matchade med elektroner i dessa sönderfallsreaktioner (och inte någon annan typ av neutrino), medan elektronen måste muonen para med en hittills oupptäckt typ av neutrino. elektronvänlig neutrino skulle inte kunna förklara observationerna från muon-händelserna. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Och så gick jakten på. Och igen. Och igen. Det var först 1962 som fysikerna äntligen fick ett lås på den andra typen av neutrino. Det var ursprungligen kallat "neutretto", men mer rationella huvuden höll på med ordningen att kalla det muon-neutrino, eftersom det alltid parade sig i reaktioner med muonen.

Okej, så två bekräftade neutrinor. Fick naturen mer för oss? 1975 siktade forskare vid Stanford Linear Accelerator Center djupt genom berg av monotont data för att avslöja förekomsten av en jämnare syskon till den fina elektronen och heftig muon: hulking tau, klocka in på en jättestor 3.500 gånger elektronens massa . Det är en stor partikel!

Så omedelbart blev frågan: Om det finns en familj av tre partiklar, kan elektronen, muonen och tauet … vara en tredje neutrino för att para med den här nyfunna varelsen?

Kanske kanske inte. Kanske finns det bara de två neutrinerna. Kanske finns det fyra. Kanske 17. Naturen har inte precis uppfyllt våra förväntningar tidigare, så ingen anledning att börja nu.

Under årtiondena övertygade fysikerna sig över en hel del grymma detaljer, och de övertygade sig själva om att använda en rad experiment och observationer som en tredje neutrino borde existera. Men det var inte förrän årtusendet, 2000, att ett speciellt utformat experiment vid Fermilab (kallat humoristiskt DONUT-experimentet, för Direkt Observation av NU Tau, och nej, jag gör inte upp det) fick äntligen tillräckligt bekräftade observationer för att med rätta hävda en upptäckt.

Så varför bryr vi oss så mycket om neutrinor? Varför har vi jagat dem i över 70 år, från före andra världskriget till moderniden? Varför har generationer av forskare varit så fascinerade av dessa små, neutrala?

Anledningen är att neutrinor fortsätter att leva utanför våra förväntningar. Under en lång tid var vi inte ens säkra på att de fanns. Under en lång tid var vi övertygade om att de var helt masslösa, tills experimenten irriterat upptäckte att de måste ha massa. Exakt "hur mycket" förblir ett modernt problem. Och neutrinos har denna irriterande vana att ändra karaktär när de reser. Det är rätt, eftersom en neutrino reser under flygningen, kan den byta masker bland de tre smakerna.

Det kan till och med fortfarande finnas en extra neutrino där ute som inte deltar i några vanliga interaktioner – något som kallas den sterila neutrinoen, som fysikerna hungrigt söker på.

Med andra ord utmanar neutriner kontinuerligt allt vi vet om fysiken. Och om det finns en sak vi behöver, både i det förflutna och i framtiden, är det en bra utmaning.

Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av Fråga en Spaceman och Rymdradio, och författare till Din plats i universum.

Ursprungligen publicerad den Live Science.