Yurii Mongol
0 
1653
447
Jeg elsker et godt mysterium, enten det viser seg at butleren gjorde det, eller om det var oberst Sennep på biblioteket med en lysestake.
Men jeg elsker vitenskapelige mysterier enda mer.
Nylig kunngjorde forskere som forsker ved Fermi National Accelerator Laboratory, eller Fermilab, en måling som er en ekte pusler. Det involverer en subatomær partikkel kalt neutrino, som er spøkelsen til mikrokosmos, som kan passere gjennom jorden uten å samvirke. Og det er FØR vi begynner å snakke om de rare greiene.
Den nylige måling, utført av et samarbeid med forskere kalt MiniBooNE, kunne innvarsle mulige oppdagelser av en ny type nøytrino som muligens kan være kilden til mørk materie - et av de mest presserende conundrums av moderne astronomi. Men for å forstå hvordan det hele henger sammen, trenger du å vite historien til nøytrinoer, som er en fascinerende historie med vri og svinger som ville få hodet til Agatha Christie til å snurre. [De 18 største uoppklarte mysteriene i fysikk]
Den østerrikske fysikeren Wolfgang Pauli foreslo først eksistensen av nøytrinoer i 1930. Vi vet nå at nøytrinoer samhandler bare gjennom det som uten fantasi kalles "svak styrke", som er den svakeste av kreftene som har noen innvirkning på avstander som er mindre enn atomer. Nøytrinoer skapes i kjernefysiske reaksjoner og i partikkelakseleratorer.
I 1956 observerte et team av fysikere ledet av amerikanerne Clyde Cowan og Frederick Reines de spøkelsesaktige partiklene for første gang. For deres oppdagelse delte Reines 1995 Nobelprisen i fysikk. (Cowan døde før prisen ble delt ut.)
Gjennom flere tiår ble det klart at det var tre forskjellige typer nøytrinoer, nå kalt smaker. Hver nøytrinosmak er distinkt, som vanilje, jordbær og sjokolade napolitansk iskrem fra barndommen. De faktiske smakene til nøytrinoene kommer fra deres tilknytning til andre subatomære partikler. Det er elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino, som er knyttet til henholdsvis elektron, muon og tau. Elektronet er den kjente partikkelen fra innsiden av atomer, og muon og tau er det chubbier og ustabile søskenbarnet til elektronet.
Hver smak av nøytrino er distinkt, og aldri skal tvoren (eller tre i dette tilfellet) møtes. Eller slik virket det.
På 1960- og 1970-tallet oppstod et mysterium ... en neutrino-gåte, som den var. Amerikanske forskere Raymond Davis og John Bahcall prøvde å beregne og måle hastigheten på nøytrinoer (spesielt elektronnøytrinoer) produsert i den største atomreaktoren rundt: solen. Når prediksjonen og målingen ble sammenlignet, var de uenige. Eksperimenter Davis fant bare omtrent en tredel så mange elektronneutrinoer som teoretikeren Bahcall forutså.
Det spesielle eksperimentet var kjeftedråpende fantastisk. Davis brukte en beholder på størrelse med et olympisk svømmebasseng fullt av standard tørrrensevæske for å oppdage nøytrinoene. Tanken var at når nøytrinoer fra solen traff kloratomene i tørrrensevæsken, ville atomene bli til argon. Davis ventet et par uker og prøvde å trekke ut argonet. Han forventet noe som 10 argonatomer, men han fant bare tre. Ja, du har lest det riktig ... bare tre atomer.
I tillegg til den eksperimentelle vanskeligheten, var beregningen som Bahcall gjorde utfordrende og ekstremt følsom for solens kjernetemperatur. En liten, liten endring i solens temperatur endret prediksjonen for antall nøytrinoer som bør produseres.
Andre eksperimenter bekreftet avviket som Bahcall og Davis observerte, men gitt vanskeligheten med hva de forsøkte å gjøre, var jeg ganske sikker på at en av dem hadde gjort en feil. Både beregningen og målingen var bare så utrolig tøffe å trekke av. Men jeg tok feil.
Et annet avvik forundret forskere. Nøytrinoer produseres i jordas atmosfære når kosmiske stråler fra det ytre rom smeller inn i luften som vi alle puster inn. Forskere vet med stor tillit at når dette skjer produseres muon og elektronnøytrinoer i et 2-til-1-forhold. Likevel, når disse nøytrinoene ble målt, ble muon og elektronnøytrinoer funnet i 1 til 1 forhold. Nok en gang forvirret nøytrinoer fysikere.
Mysteriet med nøytrinoer fra solen og fra kosmiske stråler fra verdensrommet ble løst i 1998, da forskere i Japan brukte en enorm underjordisk tank på 50 000 tonn vann for å studere forholdet mellom muon og elektronnøytrinoer som ble opprettet i atmosfæren 12 mil over tanken , sammenlignet med samme forhold som ble opprettet på den andre siden av planeten, eller omtrent 8000 mil unna. Ved å bruke denne smarte tilnærmingen fant de ut at nøytrinoene endret identitet mens de reiste. For eksempel, i Davis-Bahcall conundrum, ble elektronnøytrinoer fra solen endret til de to andre smakene. [Bilder: Inne i verdens beste fysikklaboratorier]
Dette fenomenet med at neutrino endrer smaker, omtrent som vanilje som blir jordbær eller sjokolade, kalles neutrino oscillation. Dette er fordi nøytrinoer ikke bare endrer identitet og stopper opp. I stedet, hvis de får nok tid, bytter de tre typene nøytrinoer stadig sine identiteter om og om igjen. Neutrino oscillation forklaringen ble bekreftet og ytterligere avklart i 2001 av et eksperiment utført i Sudbury, Ontario.
Hvis du har funnet denne historien svimmel, er vi bare i gang. Gjennom årene har nøytrinoer skapt flere overraskelser enn en såpeopera under Sweeps Week.
Med fenomenet nøytrino-svingning etablert, kunne forskere studere det ved hjelp av partikkelakseleratorer. De kunne lage stråler av nøytrinoer og karakterisere hvor raskt de forandrer seg fra en smak til en annen. Det er faktisk en hel nøytrino-oscillasjonsindustri, med akseleratorer over hele verden som studerer fenomenet. Flaggskiplaboratoriet for nøytrino-studier er min egen Fermilab.
En fjerde smak?
En studie i 2001 utført på Los Alamos laboratorium av et samarbeid kalt LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) skilte seg ut. Målingen deres passet ikke inn i det aksepterte bildet av tre forskjellige smaker av nøytrinoer. For å få resultatene sine til å være fornuftige, trengte de å hypotisere en fjerde type nøytrino. Og dette var ikke en vanlig type nøytrino. Det kalles en "steril nøytrino", som betyr at den, i motsetning til vanlige nøytrinoer, ikke følte den svake kraften. Men det deltok i neutrino-svingning ... morfingen av nøytrino-smaker. Og det var nok tungt, noe som betyr at det var en ideell kandidat for mørk materie.
Så det ville være en kul observasjon, men mange andre nøytrinoeksperimenter var ikke enige med dem. Faktisk var LSND-resultatet en utlegger - så særegen at det vanligvis ikke ble brukt i metaanalyser av nøytrino-fysikk.
Og nå kommer vi til den nylige målingen ved MiniBooNE-eksperimentet på Fermilab. Navnet kommer fra "BOOster Neutrino Experiment." Den bruker en av Fermilab-akseleratorene kalt Booster for å lage nøytrinoer. De “Mini” kommer av det faktum at da det ble bygget, ble det sett for seg et større eksperiment.
MiniBooNE-forskere fant at dataene deres faktisk støttet LSND-målingen, og videre, hvis de kombinerte dataene sine med LSND-dataene, er den statistiske styrken til målingen sterk nok til å kreve en oppdagelse ... muligens av sterile nøytrinoer.
Men så er det det faktum at mange andre eksperimenter er helt uenige med LSND (og nå MiniBooNE) eksperimentet. Så hva er det med det?
Vel, det er som de sier et godt spørsmål. Det kan være slik at forskerne på LSND og MiniBooNE ganske enkelt fant noe som de andre eksperimentene gikk glipp av. Eller det kan være at LSND og MiniBooNE begge gjorde en falsk oppdagelse. Eller det kan være at disse to spesielle eksperimentelle apparater er følsomme på måter som de andre ikke er. En viktig parameter er at avstanden mellom hvor nøytrinoene ble opprettet og der de ble oppdaget var relativt kort - bare noen hundre meter, eller lengden på apparater flere fotballbaner. Nøytrinoer tar tid å svinge, og hvis de beveger seg, blir dette oversatt til avstand. Mange nøytrino oscillasjoner eksperimenter har detektorer som ligger noen få eller mange hundre miles unna. Kanskje skjer den viktige svingningen raskt, så en nær detektor er avgjørende.
Det kompliserer problemet er at LSND og MiniBooNE-samarbeidet, selv om de er atskilt med over et tiår, involverte noen av de samme personene. Så det er fortsatt mulig at de gjentar den samme feilen. Eller kanskje med samme glans. Det er vanskelig å være sikker.
Så, hvordan løser vi dette? Hvordan finner vi ut hvem som har rett? Vel, dette er vitenskap, og i vitenskap vinner måling og replikasjon argumentet.
Og dette er gode nyheter. Gitt at Fermilab har valgt å utvikle sin evne til å studere nøytrinoer, ikke en, men tre forskjellige nøytrinoeksperimenter, enten de opererer eller er under bygging, med korte avstander mellom opprettelse og deteksjonspunkt for nøytrinoer. Den ene kalles MicroBooNE (en mindre versjon av MiniBooNE og med annen teknologi), den andre er ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), og den tredje er SBN (Short Baseline Neutrino). Alle disse eksperimentene er langt overordnet MiniBooNE og LSND når det gjelder tekniske evner, og derfor håper forskere at de i løpet av et par år vil komme med endelige uttalelser om sterile nøytrinoer.
Så hva blir det endelige svaret? Jeg vet ikke - det er tingen om forskning ... du er helt forvirret til du vet. Men det jeg vet er at dette er et fascinerende mysterium, med mer enn sin del av overraskelser og gotchas. Jeg er ganske sikker på at selv Sherlock Holmes ville bli forundret.
Opprinnelig publisert på .
Don Lincoln bidro med denne artikkelen til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.