Biofysik:
17. juni 2021
Neutrinoer og IceCube
Partikelfysik:
Neutrinoer er en type elementarpartikler, som produceres i forbindelse med betastråling, i atomkraftværker, i processer der finder sted i Solens indre, og i voldsomme astrofysiske begivenheder såsom supernovaer.
Universets hyppigst forekommende partikel
Selv i de mest øde egne af universet findes 52 neutrinoer per cm3 skabt i Big Bang. Men det er også den dårligst forståede af de kendte elementarpartikler. Neutrinoer vekselvirker kun med andre elementarpartikler gennem den såkaldte svage kernekraft, idet den ikke har elektrisk ladning.
FILM: Fysikkens Univers 1-4
Fysikkens Univers hedder en serie science-TV programmer fra Niels Bohr Institutet. Serien er i 4 afsnit og henvender sig til gymnasieelever og andre fysikinteresserede.
Troels C. Petersen er uddannet fysiker fra Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet i 2001. Han blev ph.d. i partikelfysik ved Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire, LAL Universitet i Paris, og har siden arbejdet i San Francisco, på Sidney University i Australien, og var i to år ansat på CERN i Schweiz.
Navnet er udmøntet af den italienske fysiker Enrico Fermi og spiller på ordet 'neutron', som er den ligeledes elektrisk neutrale bestanddel af atomkernerne. Endelsen 'ino', der ordret betyder 'lille neutron', hentyder til, at den - i modsætning til neutronen, er en uhyre svagt vekselvirkende og let partikel.
Den svage kernekraft er uhyre svag
Hvert sekund går der 65 milliarder neutrinoer fra Solen gennem hver cm2 på jordoverfladen. De passerer (næsten) alle uforstyrret durk igennem Jorden og kunne udmærket fortsætte gennem tusinder af andre jordkloder. Derfor er neutrinoer også ideelle budbringere fra fjerne egne af universet, idet de kan rejse kosmiske distancer uden at afbøjes af magnetfelter og uden at blive standset af mellemliggende stof.
Problemet er så blot at stoppe nogle af dem på Jorden, så de kan detekteres. Det prøver man på ved at bruge gigantiske detektorer.
IceCube-eksperimentet på Sydpolen
IceCube-eksperimentet udgøres af en kubikkilometer is fyldt med flere tusinde runde detektormoduler med en diameter på 20-30cm. Hvert modul indeholder en fotomultiplikator og noget elektronik. Eksperimentet er opbygget i 86 borede huller mellem 1700 og 2400 meter under overfladen af isen lige ved Sydpolen. I hvert hul er en serie detektormoduler anbragt med mellemrum på en line.
For at kunne skelne neutrinoerne fra anden, mindre gennemtrængende kosmisk stråling er der på overfladen af isen anbragt andre detektorer, der kan registrere kosmisk stråling. Det er kun de partikler, der ikke detekteres på overfladen, men alene ses i detektorerne nede i isen, der accepteres som reelle observationer af neutrinoer.
Når en neutrino af og til reagerer med et af isens atomer, kan det se ud som på billedet til højre. Hver "bobbel" på de lodrette linjer, som illustrerer detektorernes placering ned gennem isen, viser en reaktion på neutrinoen. Den stærkeste detektion er den orange bobbel i midten.
Neutrinoer findes i tre varianter
Neutrinoer kommer i tre varianter, knyttet til de tre ladede elementarpartikler, som er i familie med elektronen. Samlet kaldes alle disse partikler for leptoner. Lepto betyder svag på græsk. Det hentyder til, at disse partikler ikke påvirkes af den stærke kernekraft, som virker inde i atomkernen.
Neutrinoer er de elementarpartikler, som vi endnu forstår dårligst. Man mente tidligere, at neutrinoer var partikler uden masse, altså at de ikke havde vægt, og at de kun interagerede ganske svagt med andre partikler. De findes i tre varianter, nemlig elektron-, myon-, og tau neutrinoen. Dette kaldes deres "flavour" med et engelsk ord. Man har opdaget, at neutrinoer kan ændre grundegenskab - deres flavour - når de rejser afsted gennem rummet, og skifte til de andre tilstande. Fx Tau til myon, myon til elektron etc. Man kalder disse skift for neutrino-oscillation, og denne oscillation kræver, at neutrinoer har masse. Med andre ord, de er meget lette - men de er ikke masseløse.
Man er nu overbevist om, at de neutrinoer, som rejser gennem rummet, er tre bestemte kvantemekaniske blandinger af de tre arter, hver med en bestemt masse. Denne masse er uhyre lille, under en milliontedel af elektronens masse.
Det er interessant, at alle stof-partikler, inklusive neutrinoer, har en masse. Men vi forstår ikke, hvorfor nogle stof-partikler er uhyre lette og andre meget tunge. For eksempel, modsat neutrinoen. er tau-leptonens (- ) masse 34.000 gange større end elektronens masse.
IceCube opgradering undervejs
Forskerne i IceCube samarbejdet forbereder i skrivende stund en opgradering af detektoren. Opgraderingen kommer til dramatisk at forbedre den præcision, som forskerne kan måle de fundamentale egenskaber ved neutrinoer med.
Samtidig kommer en række af nye instrumenter til at forbedre forståelsen af isens rolle i detektoren. Dermed kan forskerne bedre spore retningen på neutrinoerne, tilbage gennem rummet, til de voldsomme atrofysiske begivenheder, som skabte dem.
NBI gruppen arbejder på at definere placeringen og geometrien på instrumenteringen, for at optimere detektorens følsomhed.
Neutrino astronomi viser vej til nye erkendelser i fysikken
Idet IceCube laboratoriet lader os observere neutrinoer fra det ydre rum, åbnes et helt nyt vindue til at studere vort Univers. I kombination med de andre "budbringer-partikler", som gammastråler, kosmiske stråler og tyngdebølger, har disse multi-budbringer signaler potentialet til at svare på mange af de åbne spørgsmål, som fortsat eksisterer i astrofysik og kosmologi.
IceCube medlemmer og teoretikere fra Niels Bohr Internationale Akademi arbejder tæt sammen for bedre at forstå de forbindelser, der er mellem multi-budbringer observationer.
Karrieremuligheder: Hvad kan jeg blive som fysiker?