”Spökpartikeln” kan ha blivit fångad – första gången vid Cern

2022-01-14 06:00  

Neutriner är universums mest förekommande partikel men svår att detektera. Nu kan första direkta observationen vid en accelerator ha gjorts.

Neutrinon, även kallad spökpartikeln, är känd för sin oförmåga att interagera med andra partiklar. Det är den mest förekommande partikeln i universum och runt 100 biljoner neutriner passerar genom våra kroppar varje sekund, utan att vi märker något. Den elektriskt neutrala elementarpartikeln har en så liten massa att den länge troddes helt vara utan.

Forward search experiment (Faser) kommer att vara ett av åtta experiment runt Cerns stora partikelaccelerator, Large Hadron Collider (LHC) , när den körs igång för tredje gången.

2018 testades en prototyp av Fasers neutrinodetektor, Faserv, och i en nyligen publicerad studie berättar forskarna att de sett vad som kan vara neutriner.


Neutrinokandidaterna detekterades med hjälp av en prototypdetektor. Foto: Henso Abreu et al. (FASER Collaboration)

Detta är den första direkta observationen av neutriner skapade vid en accelerator där två partikelstrålar krockar med varandra. Neutriner från rymden, samt från partikelacceleratorer, har tidigare detekterats – men aldrig från partikelkolliderare så som LHC.

– Neutrinon är väldigt speciell då den är fruktansvärt ovillig att reagera med andra partiklar. I fusionsprocesserna som driver solens energiproduktion produceras det neutriner i ofantliga mängder, och miljarder neutriner går igenom varje kvadratcentimeter av vår kropp varje sekund utan att interagera, så vi märker inte av det alls, skriver Christian Ohm, forskare i experimentell partikelfysik vid KTH, i ett mejl till Ny Teknik.

Christian Ohm Foto: Privat

Läs mer: Neutriner från rymden fångade i Antarktis is

Krävs ”ett ljusår av bly” för att bromsa neutriner

Christian Ohm har sedan 2006 forskat vid Atlas-experimentet på Cern, ett annat av de åtta experimenten runt LHC. I mitten av Atlas-detektorn kollideras högenergetiska partiklar, och 480 meter från kollisionspunkten är nu Faser-experimentet placerat för att ta del av partiklarna som skapas.  


Fasers detektor är placerad 480 meter från Atlas-experimentet. Foto: CERN

– I varje kollision skapas det typiskt ett tiotal neutriner. Men vi kolliderar protoner ungefär en miljard gånger per sekund, så det blir otroliga mängder över tid, skriver Christian Ohm.  

Anledningen till att neutriner är svåra att observera är att de enbart interagerar genom den svaga kärnkraften, en av naturens fyra grundläggande krafter. 

– För att få en känsla för hur ovilligt neutriner interagerar krävs det cirka ett ljusår av bly för att bromsa upp hälften av de neutriner som skapas i solen, skriver Christian Ohm.

Faser söker efter partiklar utanför standardmodellen

Faser-experimentet är utformat för att leta efter nya långlivade partiklar och för att studera högenergetiska neutriner. Att möjliga neutriner syns i data från provkörningen 2018 är ett gott tecken för Faser. Men att neutriner inte observerats av några andra av detektorerna kring LHC är inte så konstigt enligt Christian Ohm. 

– En stor anledning till att vi inte observerat några neutriner är att experiment vid partikelkolliderare inte är designade för detta – vi är framför allt intresserade av att titta på otroligt sällsynta processer som uppstår i en försvinnande liten andel av de proton-proton-kollisioner som skapas. Vi kan i stället dra slutsatser om att neutriner skapas genom att de bär iväg en del av rörelsemängden som skapas i kollisionen, och ger upphov till en obalans i summan av rörelsemängderna för partiklarna vi kan mäta – så vi får information om neutrinerna genom att inte mäta dem, skriver han. 

Prototypdetektorn består av flera lager metall med hög densitet. Foto: Henso Abreu et al. (FASER Collaboration)

Då Faser är 480 meter från kollisionspunkten behöver partiklarna som experimentet letar efter kunna gå igenom en hel del berggrund utan att interagera. Prototypen av mätinstrumentet var uppbyggd av plattor av bly och volfram, två metaller med hög densitet. Om en neutrino krockar med en atomkärna i de täta metallerna kan kollisionen studeras. 

– Faserv är ett tillägg till Faser och är en passiv detektor, den har ingen elektronisk utläsning i realtid utan registrerar spår från partiklar som skapas när neutriner reagerar i tunna skikt av en typ av film, denna film byts sedan ut periodiskt och spåren kan studeras, skriver Christian Ohm. 

Faserv skiljer sig från andra neutrino-detektorer 

Det finns andra neutrino-detektorer som skiljer sig från Faserv då de detekterar neutriner från rymden. Ice Cube, som svenska universitet bidrar till, använder sig av sensorer utspridda under Antarktis is för att försöka observera interaktioner mellan partiklarna och isen.

En digital modul som ingår i Ice Cube sänks ner i isen på Antarktis. Ice Cube består av 5 160 detektorer fördelade på 60 hål upp till 2 500 meter djupa ner i isen. Foto: Science Photo Library

Läs mer: Universums hemligheter är hennes mål

En annan detektor är Super-Kamiokande som är placerad 1 000 meter under marken och använder dryga 50 000 ton renat vatten för att försöka fånga neutrino-interaktioner. Detektorn är i en gruva under berget Ikeno som ligger nära staden Hida i den japanska prefekturen Gifu.

– Faser är unikt i sammanhanget eftersom neutriner med hög energi skapas vid en partikelkolliderare. Faser har därför en möjlighet att mäta hur sannolikt neutriner interagerar i material vid energier där vi för närvarande saknar mätdata, skriver Christian Ohm.

Varför är det viktigt att studera neutriner?

Att studera neutriner kan ge svar på flera obesvarade frågor inom partikelfysiken. 

– Några av våra djupaste grundläggande frågor inom partikelfysiken rör neutriner. Det Faserv framför allt kan ge oss är data på hur sannolikt det är att neutriner med hög energi interagerar med material – något som kan hjälpa oss att tolka resultat från andra experiment, och även att mer effektivt använda neutriner som budbärare av information för vad som händer ute i universum, skriver Christian Ohm

Till exempel tror man att neutriner skapas i stora kvantiteter när stjärnor exploderar i supernovor. Neutrinerna skulle då kunna ge oss information om dessa explosioner – explosioner som hjälper till att sprida tyngre grundämnen i universum. Då neutriner knappt interagerar med annan materia kan de bära information från olika processer långt ut i rymden.

Läs mer: De undersöker den gåtfulla antimaterian – ”Vi kanske bara ser toppen av ett isberg”

Christian Ohm har nyligen lett arbetsgrupper inom experiment på Cern i jakten på mörk materia. Inom detta fält kan Faser-experimentet förhoppningsvis hjälpa till. 

– Generellt kan inte neutriner utgöra all mörk materia då neutrinerna har för låg massa. Men det kan finnas ytterligare typer av neutriner som kan utgöra en del av den mörka materian. Faser, huvudexperimentet som är installerat bredvid Faserv, letar däremot efter partiklar som skulle kunna ge ovärderlig information om vad den mörka materian består av, skriver Christian Ohm. 

Cern har redan smygstartat sin tredje körning

LHC stängdes ner i december 2018 för uppgradering och underhåll. Snart börjar den tredje körningen av partikelacceleratorn sedan starten 2008 och enligt Christian Ohm har man redan smygstartat under hösten. 

– LHC har startat upp igen och vi har mätt de första kollisionerna i Atlas-experimentet, men vid lite lägre energi än vanligt. Det gav oss en chans att testa att alla detektorer i vårt experiment fungerar som de ska - inte minst de nya myondetektorerna som installerats under den paus LHC har haft de senaste åren då många uppgraderingar och reparationer har genomförts, skriver han.

Läs mer: Här är första observationerna från baksidan av ett svart hål

Under den tredje körningen av LHC kommer Faserv sannolikt att kunna göra fler observationer av den svårfångade spökpartikeln. Enligt Christian Ohm kommer cirka en biljon neutriner skapas och färdas i riktning mot detektorn, som kommer att vara uppgraderad jämfört med prototypen som användes 2018.

– Den nya detektorn är betydligt mer avancerad och större än den prototyp som användes för att göra dessa första mätningar som skulle kunna vara orsakade av neutriner. Till exempel saknar prototypen möjlighet att identifiera myoner, en sorts kusinpartiklar till elektronen som utgör en viktig bakgrund för mätningar av neutriner i denna miljö, skriver han.

Kort om neutrinon 

Neutrinon är den lättaste av elementarpartiklarna som har massa. Den elektriskt neutrala partikeln kommer i tre varianter, tre så kallade smaker, som alla har smått åtskilda massor. 

Neutrinerna är leptoner och är sammankopplade med de tre leptonerna med elektrisk laddning. Det finns alltså en neutrino för elektronen, en för myonen och en för tau-leptonen. Varje neutrino har också en antipartikel. 

De grundläggande egenskaperna hos elektron-neutrinon förutspåddes av Wolfgang Pauli under 30-talet när han försökte förklara energin som, till synes oförklarligt, gick förlorad vid betasönderfall. Enrico Fermi utvecklade teorin vidare och namngav partikeln. Under ett betasönderfall sönderfaller en atomkärna och avger en elektron och en antineutrino. 

 

Källa: Britannica

Bill Burrau

Mer om: Neutrino Cern

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt