”Fantastiska” data från experiment med neutriner
Den 300 ton tunga neutrinodetektorn vid partikelfysiklaboratoriet Fermilab i Illinois, USA. Detektorn mäter egenskaperna för neutrinostrålen när den startar sin 800 km långa resa till en annan detektor i Minnesota. (Foto: Reidar Hahn /Fermilab)


Nyligen släppte de 260 medlemmarna i experimentet NOvA Neutrino Experiment två artiklar om sina första upptäckter. Teamet försöker få en klarare bild av vilken roll neutriner, dessa mystiska subatomära partiklar, har spelat i kosmos utveckling.

Den första artikeln, i Physical Review Letters, beskriver hur elektronneutriner första gången kom fram i NOvA-experimentet. Den andra artikeln, i Physical Review D, beskriver hur myonneutriner försvann i experimentet.

Spår av elekotronneutriner i NOvA-experimentets detektor i Minnesota. (Foto: NOvA collaboration)

Spår av elekotronneutriner i NOvA-experimentets detektor i Minnesota. (Foto: NOvA collaboration)

Sammantaget ger artiklarna insikt om neutrinernas grundläggande egenskaper, såsom massa, hur neutrinerna oscillerar från en typ till en annan, och huruvida neutrinerna har en nyckelroll i materians dominans i universum.

”De här händelserna med elektronneutrinerna är helt överväldigande. Vi har studerat dem och de är helt perfekta enligt skolboken – samtliga elva så här långt.”

Mayly Sanchez, fysiker

I en presentation som beskriver resultaten visade fysikern Mayly Sanchez en bild som påvisade spåren efter en elektronneutrino som färdades genom den 14 000 ton tunga detektorn i Minnesota.

Sedan detektorn startade i full skala i november 2014, har man i två analyser av data från långdistansexperimentet gjort de första observationerna av hur myonneutriner skiftat till elektronneutriner.

I en analys fann man elva sådana övergångar. ”Samtliga elva är helt fantastiska”, skrev Sanchez i sin presentation.

Hur experimentet fungerar

Forskarna på NOvA använder en 300-tons partikeldetektor vid det amerikanska energidepartementets laboratorium Fermilab utanför Chicago, och en 14 000-tons detektor 800 km därifrån i norra Minnesota för att studera neutrinernas oscillation. Detektorn i Chicago är belägen i en grotta 100 meter under marken, och mäter sammansättningen av neutrinostrålen när den lämnar platsen. Neutrinerna oscillerar när de färdas genom jorden. Detektorn i Minnesota registrerar vilken typ av neutriner som anländer dit.

Nedan visas en film av detektorkonstruktionen. Här visas även livedata från experimentet.

Sanchez, docent i fysik och astronomi på Iowa State University, är en av ledarna för NOvA-experimentet. Hon är med i experimentets exekutiva kommitté och håller i analyserna av elektronneutriner i Minnesota.

Artikeln om elektronneutrinons uppdykande rapporterar om två, oberoende analyser av data från detektorn. I den ena upptäcktes sex fall där myonneutriner som skickats till detektorn i Minnesota oscillerat till elektronneutriner. I den andra upptäcktes 11 oscillationer. Om inga oscillationer uppstod hade forskarna förutspått att en elektronneutrino skulle observeras i detektorn i Minnesota.

Sanchez säger att spåren efter den pendlande elektronneutrinon som hon hjälpte till att analysera bevisar att experimentet kan göra det som det utformats att göra – att upptäcka och mäta neutriner efter att de tagit sig den 800 km men bara tre millisekunder långa resan från labbet i Illinois till detektorn i norra Minnesota.

Detektorn är enorm: 344 000 plastceller inuti en 60 meter lång, 15 meter hög och 15 meter bred konstruktion, vilket gör den till världens största fristående plastkonstruktion.

– Den största nyheten här är att vi har observerat framträdandet av elektronneutriner, säger Sanchez.

Den 14 000 ton tunga detektorn i Ash River i Minnesota. (Foto: Reidar Hahn/Fermilab)

Den 14 000 ton tunga detektorn i Ash River i Minnesota. (Foto: Reidar Hahn/Fermilab)

Om kalibreringen och parametrarna hade varit bara lite felaktiga ”kanske vi inte hade sett någonting”, säger hon.

– När man utformar ett sådant här experiment hoppas man att naturen är snäll och låter en utföra en mätning.

I det här fallet detekterar och mäter fysikerna de mystiska och mycket lätta neutrinerna. Neutriner är subatomära partiklar som är bland de mest rikligt förekommande i universum, men som nästan aldrig interagerar med materia. De skapas i naturen av solen, av kollapsande stjärnor, och av kosmiska strålar som interagerar med atmosfären. De skapas också i kärnreaktorer och partikelacceleratorer.

Det finns tre typer av neutriner: elektron-, myon- och tauneutriner. När de färdas nära ljushastigheten oscillerar de från en typ till en annan. Takaaki Kajita från Japan och Arthur B. McDonald från Kanada vann Nobelpriset i fysik 2015 för sina bidrag till de oberoende, experimentella upptäckterna av neutrinernas oscillation.

Tre mål för NOvA

NOvA-experimentet har tre huvudsakliga mål inom fysiken: att göra de första observationerna av myonneutriner som skiftar till elektronneutriner, bestämma den mycket låga massan för de tre typerna av neutriner, och att leta efter ledtrådar som kan hjälpa till att förklara hur materia kom att dominera över antimateria i universum.

Fysikerna tror att det i universums begynnelse fanns lika stora mängder materia och antimateria. Detta är i själva verket ett problem, då materia och antimateria utplånar varandra när de kommer i kontakt.

Men universum existerar fortfarande. Någonting hände alltså som kastade om balansen och skapade ett universum fyllt av materia. Kan det vara så att neutrinerna sönderföll asymmetriskt och fick det hela att väga över till materians fördel?

NOvA-experimentet skulle kunna förse oss med en del av svaren allteftersom man får fram allt mer data om neutrinerna.

Sanchez gillar de data hon sett:

– De här händelserna med elektronneutrinerna är helt överväldigande. Vi har studerat dem och de är helt perfekta enligt skolboken – samtliga elva så här långt.

Den här artikeln publicerades ursprungligen av Iowa State University. Återpublicerad via Futurity.org under Creative Commons license 4.0.

Gravitationsvågor har hittats

Stjärnstoft som hittats på jorden kan vara äldre än vår sol