nøytrino

Innsida av nøytrinodetektoren Daya Bay Antineutrino Detector. «Boblene» langs veggene i tanken er fotomultiplikatorer som skal fange opp signalet fra eventuelle nøytrinoer og antinøytrinoer.
What do you want to do ?
New mailCopy
Av /Lawrence Berkeley National Laboratory.

Et nøytrino er en elektrisk nøytral elementærpartikkel. Det er den nest mest tallrike kjente partikkeltypen i universet etter fotoner (lyspartikler). Nøytrinoer har en svært liten hvilemasse, mindre enn 1 eV/c². Det vil si at massen maksimalt kan være to milliondeler av massen til elektronet. Nøytrinoer kjennetegnes ved at de bare har svak vekselvirkning med andre partikler.

Faktaboks

uttale:
nøytrˈino
etymologi:
av italiensk ‘meget liten nøytral’

Nøytrinoer dannes i kjernereaksjoner, for eksempel i Sola, i supernovaeksplosjoner, i kjernereaktorer, og det blei danna store mengder nøytrinoer i tida rett etter big bang. På Jorda treffes et areal på én kvadratcentimeter hvert sekund av milliarder av nøytrinoer. På grunn av de svake vekselvirkningene passerer de aller fleste av disse nøytrinoene tvers gjennom Jorda.

Nøytrinoene tilhører gruppa av elementærpartikler som kalles leptoner. De har kvantemekanisk spinn ½ . For nøytrinoet brukes symbolet ν ( gresk «ny»). Det finns (minst) tre typer nøytrinoer: elektronnøytrinoer, myon-nøytrinoer og tau-nøytrinoer, i tillegg til deres antipartikler.

Historie

Eksistensen av nøytrinoer blei først foreslått av Wolfgang Pauli i 1930 for å forklare at energi og spinn kunne være bevart i beta-henfall (β-desintegrasjon). I 1933 viste Enrico Fermi at beta-spekterets form (se beta-henfall) svarer til at det samtidig med elektronet sendes ut en partikkel med meget liten masse. Han foreslo navnet nøytrino på den ukjente partikkelen. Etter teorien måtte den ha liten vekselvirkning med materien og derfor ville den være vanskelig å påvise direkte. Den første påvisning av antinøytrinoer fra en uranreaktor blei gjennomført av Frederick Reines og Clyde Cowan 1953. Seinere har en også påvist nøytrinoer, og en har vist at det finns minst tre ulike typer nøytrinoer.

I tillegg til de tre kjente nøytrinotypene finns også teorier der det opptrer såkalte sterile nøytrinoer, som ikke vekselvirker svakt med annen materie. Slike sterile nøytrinoer er ikke påvist i eksperimenter, og det er svært usikkert om de eksisterer.

Danning av nøytrinoer

Nøytrinoer dannes i kjernereaksjoner, for eksempel ved radioaktive prosesser på Jorda og i stjernenes indre. I tida rett etter big bang blei det danna store mengder nøytrinoer som fortsatt finns i universet. Nøytrinoer produseres også i kjernereaktorer og ved hjelp av store partikkelakseleratorer.

Nøytrinoene fyller hele universet vårt med stråling. Hvert sekund kommer det inn mot jordoverflata omkring hundre milliarder nøytrinoer per kvadratcentimeter med energi på over 1 MeV. Bare om lag ti av disse vil stoppes i Jordas indre. I de største nøytrinoteleskopa registreres mindre enn ett nøytrino i døgnet. Videre regnes det med størrelsorden 100 nøytrinoer per kubikkcentimeter av hvert slag fordelt over hele universet. Dette siste er rester fra big bang og kan ha en temperatur på omlag to kelvin. Dette er analogt til mikrobølge-bakgrunnstrålinga på 2,7 kelvin som blei oppdaga i 1965.

Se hovedartikkel: nøytrinoastronomi.

Nøytrinoeksperimenter

To typer beta-henfall vises i figuren. I (a) henfaller et proton til et nøytron, et positron samt et nøytrino. I (b) henfaller et nøytron til et proton, et elektron samt et anti-nøytrino.
Illustrasjon av beta-henfall.
Lisens: CC BY SA 3.0

Nøytrinoer kan påvises ved en prosess kalt invers beta-henfall og ved måling av rekylenergi av atomkjerner eller elektroner etter utsending av nøytrinoer eller spredning av nøytrinoer.

Studier av nøytrinoer, både de som dannes i galaktiske prosesser og de som framstilles ved store akseleratorer, står sentralt i den fundamentale forskninga innafor elementærpartikkel- og astrofysikk. Et moderne observatorium bygd for å observere nøytrinoer ligger nå ofte under jordoverflata, for eksempel djupt nede i gruver.

Påvisning ved invers beta-henfall

Ved invers beta-henfall fanger et proton inn et antinøytrino og går over til et nøytron og et positron, eller et nøytron fanger inn et nøytrino og går over til et proton og et elektron. Prosessen kan foregå ved protoner og elektroner i atomkjerner og leder da til samme endring av kjernene som vanlig beta-omdanning. Restproduktene etter slike beta-henfallsprosesser kan observeres, for eksempel ved å studere radioaktiv stråling fra kjernene som dannes.

Påvisning ved rekylenergi

Nøytrino-elektron-spredning kan påvises i for eksempel store tanker med reint vann. Hvis et nøytrino eller antinøytrino med tilstrekkelig energi støter mot et elektron, kan dette etter støtet få større fart enn lysfarten i vann. Det vil da sende ut tsjerenkovstråling som registreres med fotomultiplikatorer omkring vanntanken.

Fordi nøytrinoer sjelden vekselvirker med vanlig materie, er det ofte viktig at detektorene har stort volum, noe som øker sannsynligheten for at sammenstøt som kan observeres. Det er bakgrunnen for at det er bygd nøytrinoeksperimenter som bruker store volum av naturlige forekomster av vann eller is som detektormateriale. Dette gjelder for eksempel IceCube-eksperimentet i Antarktis, Antares-eksperimentet i Middelhavet og Baikal-eksperimentet i Bajkalsjøen.

Ved store akseleratorer påvises invers beta-henfall og nøytrinospredning ved hjelp av gnistkamre eller boblekamre.

Egenskaper

Det finns tre slags nøytrinoer: elektron-nøytrino, νe, myon-nøytrino, νμ, og tau-nøytrino, ντ, og tre tilsvarende antinøytrinoer. Forskjellen mellom de tre nøytrino-typene er av fundamental karakter i likhet med forskjellen mellom de tre elektrisk ladde leptonene (elektronet, myonet og tau-leptonet).

Leptontall

Elektronet e, og elektron-nøytrinoet νe, er bærere av et ladningstall som kalles elektronisk leptontall, Le. Leptonene e og νe har verdien +1 for Le, mens de to antipartiklene har verdien –1. Alle andre partikler har verdien 0 for Le. Tilsvarende defineres ladningstalla Le, Lμ og Lτ.

Nøytrinooscillasjoner

Nøytrino. Jo lenger nøytrinoene beveger seg, jo lengre tid har de til å oscillere. Ved å sammenlikne forholdet mellom nøytrinotyper som kom «opp» gjennom jordkloden og «ned» fra atmosfæren over detektoren, observerte fysikerne at nøytrinoer oscillerer. Dette kan bare nøytrinoene gjøre.

What do you want to do ?
New mailCopy
Av /Store norske leksikon ※.

Eksperimenter der nøytrinostråler med kjente egenskaper går over store avstander, for eksempel fra ett laboratorium til et annet noen hundre kilometer unna eller fra Sola til Jorda, viser nøytrino-oscillasjoner, det vil si at en nøytrinotype kan gå over i en annen. De tre leptontalla Le, Lμ og Lτ er altså ikke bevart. Dette betyr også at nøytrinomassene ikke er null. De er likevel svært små, for eksempel en milliontedel av elektronmassen eller mindre.

Dessverre kan en ikke estimere nøytrinomassene direkte ut fra disse eksperimenta. En kan bare estimere differensene av kvadrata av massene. Med tre ulike nøytrinotyper er det to slike differanser som er målt til å ha størrelsesorden 10–4 til 10–2 (eV/c2)2.

Helisitet

Nøytrinoer og antinøytrinoer har motsatt helisitet, det vil si at de roterer i motsatte retninger i forhold til bevegelsesretninga, nøytrinoet som en venstredreid og antinøytrinoet som en høgredreid skrue. Dette gjelder i grensa når nøytrinomassen settes lik null, noe som ofte er ei god tilnærming. Generelt kan nøytrinofeltet deles opp i en høgre- og en venstredreid del. I standardmodellen for elemetærpartikkelfysikk er det bare det venstredreide nøytrinoet og høgredreide antinøytrinoet som deltar i svak vekselvirkning

Forskning og betydning

I elementærpartikkelfysikken er spørsmålet om nøytrinoets masse og stabilitet knytta sammen med leptonenes og kvarkenes egenskaper og den enhetlige beskrivelsen av de fundamentale vekselvirkningene (se elementærpartikkel). I astrofysikk og kosmologi er kjennskap til de samme egenskapene av betydning for spørsmåla om massefordeling i universet og forståelsen av mørk materie og mørk energi (se nøytrinoastronomi).

Det at nøytrinomassene er svært små i forhold til de andre fermionene kan være et hint om at det finns ny fysikk utover standardmodellen for elementærpartikkelfysikk. Kan hende er hver av nøytrino-typene sin egen antipartikkel. I så fall er de majoranapartikler. Eller det kan også tenkes at nøytrinoene inneholder komponenter som er sin egen antipartikkel. Foreløpig er slike ideer ikke bekrefta av observasjoner.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg