Gyles Lewis
0 
2880
458
Jeg elsker et godt mysterium, uanset om det viser sig, at butleren gjorde det, eller om det var oberst-sennep på biblioteket med en lysestage.
Men jeg elsker videnskabelige mysterier endnu mere.
For nylig annoncerede forskere ved Fermi National Accelerator Laboratory eller Fermilab en måling, der er en rigtig puslespil. Det involverer en subatomær partikel kaldet neutrino, som er mikrokosmos spøgelse, der er i stand til at passere gennem Jorden uden at interagere. Og det er FØR vi begynder at tale om de underlige ting.
Den nylige måling, der blev udført af et samarbejde med forskere kaldet MiniBooNE, kunne indlede en mulig slags opdagelse af en ny type neutrino, der muligvis kan være kilden til mørkt stof - et af de mest presserende conundrums i moderne astronomi. Men for at forstå, hvordan det hele hænger sammen, er du nødt til at kende neutrinos historie, som er en fascinerende historie med drejning og sving, der ville få Agatha Christies hoved til at dreje. [De 18 største uopløste mysterier i fysik]
Den østrigske fysiker Wolfgang Pauli foreslog først eksistensen af neutrinoer i 1930. Vi ved nu, at neutrinoer kun interagerer gennem det, der ubillede kaldes den "svage kraft", som er den svageste af de kræfter, der har nogen indflydelse på afstande, der er mindre end atomer. Neutrinoer skabes i nukleare reaktioner og i partikelacceleratorer.
I 1956 observerede et team af fysikere ledet af amerikanerne Clyde Cowan og Frederick Reines de spøgelsesrige partikler for første gang. Til deres opdagelse delte Reines 1995 Nobelprisen i fysik. (Cowan døde inden prisen blev tildelt.)
I løbet af årtier blev det klart, at der var tre forskellige slags neutrinoer, nu kaldet smag. Hver neutrino-smag er forskellig, ligesom vanilje, jordbær og chokolade napolitansk is i din barndom. Neutrinos faktiske smag kommer fra deres tilknytning til andre subatomære partikler. Der er elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino, som er knyttet til henholdsvis elektron, muon og tau. Elektronen er den velkendte partikel fra indre atomer, og muon og tau er chubbier og ustabile kusiner til elektronet.
Hver smag af neutrino er forskellig, og aldrig skal tvangen (eller tre i dette tilfælde) mødes. Eller så syntes det.
I 1960'erne og 1970'erne opstod et mysterium ... et neutrino-gåte, som det var. Amerikanske forskere Raymond Davis og John Bahcall forsøgte at beregne og måle hastigheden af neutrinoer (specifikt elektronneutrinoer) produceret i den største atomreaktor omkring: solen. Når forudsigelsen og målingen blev sammenlignet, var de uenige. Eksperimenter Davis fandt kun omkring en tredjedel så mange elektronneutrinoer, som teoretikeren Bahcall forudsagde.
Det særlige eksperiment var kæberedræt utroligt. Davis brugte en container på størrelse med en olympisk swimmingpool fuld af standard tørrensningsvæske til at opdage neutrinoerne. Ideen var, at når neutrinoer fra solen ramte kloratomer i tørrensevæsken, ville disse atomer blive til argon. Davis ventede et par uger og forsøgte derefter at udtrække argon. Han forventede noget som 10 argonatomer, men han fandt kun tre. Ja, du læser den rigtige ... kun tre atomer.
Foruden den eksperimentelle vanskelighed var beregningen, som Bahcall gjorde, udfordrende og ekstremt følsom overfor solens kernetemperatur. En lille, lille ændring i solens temperatur ændrede forudsigelsen for antallet af neutrinoer, der skulle produceres.
Andre eksperimenter bekræftede uoverensstemmelsen, som Bahcall og Davis observerede, men i betragtning af vanskeligheden med, hvad de forsøgte at gøre, var jeg temmelig sikker på, at en af dem havde begået en fejl. Både beregning og måling var bare så utroligt hård at trække af. Men jeg tog fejl.
En anden uoverensstemmelse forundrede forskere. Neutrinoer produceres i Jordens atmosfære, når kosmiske stråler fra det ydre rum smækker ud i luften, som vi alle indånder. Forskere ved med stor tillid, at når dette sker, produceres muon- og elektronneutrinoer i et 2-til-1-forhold. Når disse neutrinoer blev målt, blev Muon- og elektronneutrinoer imidlertid fundet i 1 til 1 forhold. Endnu en gang forvirrede neutrinoer fysikere.
Mysteriet med neutrinoer fra solen og fra kosmiske stråler fra rummet blev løst i 1998, da forskere i Japan brugte en enorm underjordisk tank på 50.000 tons vand til at studere forholdet mellem muon og elektronneutrinoer skabt i atmosfæren 12 mil over tanken , sammenlignet med det samme forhold, der blev skabt på den anden side af planeten, eller omkring 8.000 miles væk. Ved at anvende denne smarte tilgang fandt de, at neutrinoerne ændrede deres identitet, mens de rejste. F.eks. Ændrede elektronneutrinoer fra solen i Davis-Bahcall-conundrum sig til de to andre smag. [Billeder: Inde i verdens største fysiklaboratorier]
Dette fænomen med neutrino skiftende smag, ligesom vanilje bliver jordbær eller chokolade, kaldes neutrino oscillation. Dette skyldes, at neutrinoer ikke bare ændrer deres identitet og stopper. I stedet for, hvis de får tilstrækkelig tid, bytter de tre slags neutrinoer konstant deres identitet igen og igen. Neutrinooscillationsforklaringen blev bekræftet og yderligere afklaret i 2001 af et eksperiment, der blev udført i Sudbury, Ontario.
Hvis du har fundet denne historie svimlende, er vi lige i gang. I årenes løb har neutrinoer genereret flere overraskelser end en sæbeopera under Sweeps Week.
Da fænomenet neutrino-svingning blev etableret, kunne forskere studere det ved hjælp af partikelacceleratorer. De kunne lave stråler af neutrinoer og karakterisere, hvor hurtigt de forandres fra en smag til en anden. Der er faktisk en hel neutrino-oscillationsindustri, hvor acceleratorer over hele verden studerer fænomenet. Flagskibslaboratoriet til neutrino-undersøgelser er min egen Fermilab.
En fjerde smag?
En undersøgelse i 2001 udført på Los Alamos-laboratoriet ved et samarbejde kaldet LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) skilte sig ud. Deres måling passer ikke ind i det accepterede billede af tre forskellige smag af neutrino. For at få deres resultater til at give mening, havde de brug for at antage en fjerde type neutrino. Og dette var ikke en almindelig slags neutrino. Det kaldes en "steril neutrino", hvilket betyder, at den i modsætning til almindelige neutrinoer ikke følte den svage kraft. Men det deltog i neutrino-svingning ... morfingen af neutrino-smag. Og det var sandsynligvis tungt, hvilket betyder, at det var en ideel kandidat til mørk stof.
Så det ville være en cool observation, men mange andre neutrino-eksperimenter var ikke enige med dem. Faktisk var LSND-resultatet en outlier - så ejendommelig, at det normalt ikke blev brugt i metaanalyser af neutrino-fysik.
Og nu kommer vi til den nylige måling ved MiniBooNE-eksperimentet på Fermilab. Navnet kommer fra "BOOster Neutrino Experiment." Den bruger en af Fermilab-acceleratorerne kaldet Booster til at fremstille neutrino. Det “Mini” stammer fra det faktum, at da det blev bygget, blev der forestillet et større eksperiment.
MiniBooNE-forskere fandt, at deres data faktisk understøttede LSND-målingen, og yderligere, hvis de kombinerede deres data med LSND-dataene, er målingens statistiske styrke stærk nok til at kræve en opdagelse… muligvis af sterile neutrinoer.
Men så er der det faktum, at mange andre eksperimenter er helt uenige med LSND-eksperimentet (og nu MiniBooNE). Så hvad sker der med det?
Det er, som de siger, et godt spørgsmål. Det kunne være, at LSND- og MiniBooNE-forskerne simpelthen fandt noget, som de andre eksperimenter gik glip af. Eller det kan være, at LSND og MiniBooNE begge gjorde en falsk opdagelse. Eller det kan være, at disse to særlige eksperimentelle apparater er følsomme på måder, som de andre ikke er. En vigtig parameter er, at afstanden mellem hvor neutrinoerne blev oprettet og hvor de blev opdaget var relativt kort - bare et par hundrede meter eller længden af apparater adskillige fodboldbaner. Neutrinoer tager tid at svinge, og hvis de bevæger sig, oversættes dette til afstand. Mange neutrino-svingningseksperimenter har detektorer placeret et par eller mange hundrede miles væk. Måske sker den vigtige svingning hurtigt, så en tæt detektor er afgørende.
Komplicering af spørgsmålet er, at LSND- og MiniBooNE-samarbejdet, selvom de er adskilt af over et årti, involverede nogle af de samme personer. Så det er stadig muligt, at de gentager den samme fejl. Eller måske udstiller den samme glans. Det er svært at være sikker.
Så hvordan løser vi dette? Hvordan finder vi ud af, hvem der har ret? Dette er videnskab, og inden for videnskab vinder måling og replikation argumentet.
Og dette er gode nyheder. I betragtning af at Fermilab har valgt at udvikle sin evne til at studere neutrinoer, ikke én, men tre forskellige neutrino-eksperimenter er enten i drift eller under konstruktion, med korte afstande mellem oprettelses- og detekteringspunktet for neutrinoer. Den ene kaldes MicroBooNE (en mindre version af MiniBooNE og med anden teknologi), den anden er ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals), og den tredje er SBN (Short Baseline Neutrino). Alle disse eksperimenter er langt bedre end MiniBooNE og LSND med hensyn til tekniske kapaciteter, og derfor håber forskere, at de på tidsplanen for et par år vil afgive endelige udsagn om sterile neutrinoer.
Så hvad bliver det endelige svar? Jeg ved ikke - det er ting ved forskning ... du er helt forvirret, indtil du ved. Men hvad jeg ved, er, at dette er et fascinerende mysterium med mere end dets andel af overraskelser og gotchas. Jeg er temmelig sikker på, at selv Sherlock Holmes ville blive forundret.
Oprindeligt offentliggjort den .
Don Lincoln bidrog med denne artikel til Live Science Ekspertstemmer: Op-Ed & indsigt.