Rudolf Cole
0 
1073
118
Jag älskar ett bra mysterium, vare sig det visar sig att butleren gjorde det, eller om det var överste senap i biblioteket med en ljusstake.
Men jag älskar vetenskapliga mysterier ännu mer.
Nyligen meddelade forskare vid Fermi National Accelerator Laboratory, eller Fermilab, en mätning som är en riktig pussel. Det involverar en subatomär partikel som kallas neutrino, som är mikrokosmos spöke, som kan passera genom jorden utan att interagera. Och det är FÖR vi börjar prata om de konstiga sakerna.
Den senaste mätningen, utförd av ett samarbete av forskare som kallas MiniBooNE, kunde sätta upp den möjliga upptäckten av en ny typ av neutrino som möjligen kan vara källan till mörk materia - ett av de mest pressande förhållandena i modern astronomi. Men för att förstå hur det hela hänger ihop, måste du känna till neutrinos historia, vilket är en fascinerande berättelse med vridning och vändningar som skulle få Agatha Christies huvud att snurra. [De 18 största olösta mysterierna i fysik]
Den österrikiska fysikern Wolfgang Pauli föreslog först existensen av neutrinoer 1930. Vi vet nu att neutrinoer samverkar endast genom det som fantasilöst kallas "svag kraft", som är den svagaste av krafterna som har någon påverkan över avstånd som är mindre än atomer. Neutrino skapas i kärnreaktioner och i partikelacceleratorer.
1956 observerade ett team av fysiker under ledning av amerikanerna Clyde Cowan och Frederick Reines de spöklika partiklarna för första gången. För deras upptäckt delade Reines 1995 Nobelpriset i fysik. (Cowan dog innan priset delades ut.)
Under årtiondena blev det tydligt att det fanns tre olika typer av neutrino, nu kallad smaker. Varje neutrinosmak är distinkt, liksom vanilj, jordgubbar och choklad napolitansk glass i din barndom. Neutrinoens faktiska smaker kommer från deras associering med andra subatomära partiklar. Det finns elektronneutrino, muonneutrino och tauneutrino, som är kopplade till respektive elektron, muon och tau. Elektronen är den välkända partikeln från inre atomer, och muon och tau är elektronens kubbar och instabila kusiner.
Varje smak av neutrino är distinkt och aldrig tvinningen (eller tre i detta fall) ska möta. Eller så verkade det.
På 1960- och 1970-talet uppstod ett mysterium ... en neutrino-gåta, som den var. Amerikanska forskare Raymond Davis och John Bahcall försökte beräkna och mäta hastigheten för neutrino (specifikt elektronneutrino) som produceras i den största kärnreaktorn runt: solen. När förutsägelsen och mätningen jämfördes, var de oeniga. Experimenteraren Davis hittade bara ungefär en tredjedel så många elektronneutrino som teoretiker Bahcall förutspådde.
Det speciella experimentet var käken släppande fantastiskt. Davis använde en behållare på storleken på en olympisk pool full av standardtvättvätska för att upptäcka neutrinoerna. Tanken var att när neutrino från solen träffade kloratomerna i kemtvättvätskan, skulle dessa atomer förvandlas till argon. Davis väntar ett par veckor och försökte sedan ta ut argon. Han förväntade sig något som 10 argonatomer, men han hittade bara tre. Ja, du läste rätt ... bara tre atomer.
Förutom de experimentella svårigheterna var beräkningen som Bahcall gjorde utmanande och extremt känslig för solens kärntemperatur. En liten, liten förändring i solens temperatur förändrade förutsägelsen för antalet neutrinoer som borde produceras.
Andra experiment bekräftade skillnaden som Bahcall och Davis observerade, men med tanke på svårigheten med vad de försökte göra var jag ganska säker på att en av dem hade gjort ett misstag. Både beräkningen och mätningen var bara så otroligt tuffa att dra av. Men jag hade fel.
En annan avvikelse förundrade forskare. Neutrinoer produceras i jordens atmosfär när kosmiska strålar från yttre rymden smälter in i luften som vi alla andas in. Forskare vet med stort förtroende att när detta händer, produceras muon och elektronneutrino i ett förhållande 2 till 1. Men när dessa neutrinoer uppmättes, hittades muon och elektronneutrino i förhållande 1 till 1. Återigen förvirrade neutrino fysiker.
Mysteriet med neutrino från solen och från kosmiska strålar från rymden löstes 1998, då forskare i Japan använde en enorm underjordisk tank på 50 000 ton vatten för att studera förhållandet mellan muon och elektronneutrino som skapades i atmosfären 12 mil över tanken , jämfört med samma förhållande som skapades på andra sidan planeten, eller cirka 8 000 mil bort. Genom att använda denna smarta strategi fann de att neutrinoerna förändrade sin identitet när de reste. I Davis-Bahcall conundrum förändrades till exempel elektronneutrino från solen till de andra två smakerna. [Bilder: Inom världens främsta fysiklaboratorier]
Detta fenomen med att neutrino ändrar smaker, precis som vanilj blir jordgubbar eller choklad, kallas neutrino oscillation. Detta beror på att neutrinoer inte bara ändrar sin identitet och slutar. Istället, om de ges tillräckligt med tid, byter de tre typerna av neutrinoer hela tiden sina identiteter om och om igen. Neutrinosvängningsförklaringen bekräftades och klargjordes ytterligare 2001 av ett experiment som genomfördes i Sudbury, Ontario.
Om du har hittat den här historien svimlande, kommer vi bara igång. Under åren har neutrinoer genererat fler överraskningar än en tvålopera under Sweeps Week.
När fenomenet neutrinooscillation fastställdes kunde forskare studera det med hjälp av partikelacceleratorer. De kunde skapa strålar av neutrino och karakterisera hur snabbt de förändras från en smak till en annan. Det finns faktiskt en hel neutrino-oscillationsindustri med acceleratorer runt om i världen som studerar fenomenet. Flaggskeppslaboratoriet för neutrino-studier är min egen Fermilab.
En fjärde smak?
En studie 2001 som genomfördes vid Los Alamos laboratorium av ett samarbete som kallas LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) stod ut. Deras mätning passade inte in i den accepterade bilden av tre olika smaker av neutrino. För att få sina resultat att vara meningsfulla, behövde de antaga en fjärde typ av neutrino. Och detta var inte en vanlig typ av neutrino. Det kallas en "steril neutrino", vilket betyder att den, till skillnad från vanliga neutrino, inte kände den svaga kraften. Men det deltog i neutrino-svängning ... morfingen av neutrino-smaker. Och det var förmodligen tungt, vilket betyder att det var en idealisk kandidat för mörk materia.
Så det skulle vara en cool observation, men många andra neutrinoxperiment höll inte med dem. I själva verket var LSND-resultatet en överliggande - så speciell att det vanligtvis inte användes i metaanalyser av neutrinofysik.
Och nu kommer vi till den senaste mätningen av MiniBooNE-experimentet på Fermilab. Namnet kommer från "BOOster Neutrino Experiment." Den använder en av Fermilab-acceleratorerna som kallas Booster för att göra neutrino. De “Mini” kommer från det faktum att när det byggdes föreställdes ett större uppföljning av experimentet.
MiniBooNE-forskare fann att deras data faktiskt stödde LSND-mätningen och vidare, om de kombinerade sina uppgifter med LSND-uppgifterna, är mätningens statistiska styrka tillräckligt stark för att påstå en upptäckt ... möjligen av sterila neutrino.
Men då finns det faktum att många andra experiment inte är helt definitivt instämma med LSND (och nu MiniBooNE) -experimentet. Så vad är det med det?
Det är som de säger en bra fråga. Det kan vara så att LSND- och MiniBooNE-forskarna helt enkelt hittade något som de andra experimenten missade. Eller så kan det vara så att LSND och MiniBooNE båda gjorde en falsk upptäckt. Eller det kan vara så att dessa två speciella experimentella apparater är känsliga på sätt som de andra inte är. En viktig parameter är att avståndet mellan var neutrinoerna skapades och där de upptäcktes var relativt kort - bara några hundra meter, eller längden på apparater flera fotbollsplaner. Neutrino tar tid att svänga, och om de rör sig, översätter detta till avstånd. Många neutrino-oscillations experiment har detektorer som ligger några eller många hundratals mil bort. Kanske inträffar den viktiga svängningen snabbt, så en nära detektor är avgörande.
Komplicera frågan är att LSND och MiniBooNE samarbeten, även om de är åtskilda med över ett decennium, involverade några av samma individer. Så det är fortfarande möjligt att de upprepar samma misstag. Eller kanske uppvisar samma glans. Det är svårt att vara säker.
Så, hur löser vi detta? Hur kan vi ta reda på vem som har rätt? Det här är vetenskap och i vetenskap, mätning och replikering vinner argumentet.
Och det är goda nyheter. Med tanke på att Fermilab har valt att utveckla sin förmåga att studera neutrinoer, inte en, utan tre olika neutrinoxperiment antingen fungerar eller är under uppbyggnad, med korta avstånd mellan skapandet och detekteringspunkten för neutrino. Den ena kallas MicroBooNE (en mindre version av MiniBooNE och med annan teknik), den andra är ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), och den tredje är SBN (Short Baseline Neutrino). Alla dessa experiment är mycket överlägsna MiniBooNE och LSND när det gäller teknisk kapacitet, och därför hoppas forskare att de på tidsplanen för ett par år kommer att göra definitiva uttalanden om sterila neutrinoer.
Så vad blir det slutliga svaret? Jag vet inte - det är saken med forskning ... du är helt förvirrad tills du vet. Men vad jag vet är att detta är ett fascinerande mysterium, med mer än dess andel överraskningar och gotchor. Jag är ganska säker på att även Sherlock Holmes skulle bli förbryllad.
Ursprungligen publicerad den .
Don Lincoln bidrog med denna artikel till Live Science Expertröster: Op-Ed & Insights.