Vi er overvældede af neutrinoer. De er blandt de letteste af de to dusin eller så kendte subatomære partikler, og de kommer fra alle retninger: fra Big Bang, der begyndte universet, fra eksploderende stjerner og mest af alt fra solen. De kommer lige gennem jorden med næsten lysets hastighed, hele tiden, dag og nat, i enormt antal. Cirka 100 billioner neutrinoer passerer gennem vores kroppe hvert sekund.
Relateret indhold
- Åbning af fremmede portaler i fysik
Problemet for fysikere er, at neutrinoer er umulige at se og vanskelige at opdage. Ethvert instrument designet til at gøre det kan føles solidt at røre ved, men for neutrinoer er selv rustfrit stål for det meste tomt rum, så bredt åbent som et solsystem er for en komet. Hvad mere er, neutrinoer, i modsætning til de fleste subatomære partikler, har ingen elektrisk ladning - de er neutrale, og dermed navnet - så forskere kan ikke bruge elektriske eller magnetiske kræfter til at fange dem. Fysikere kalder dem "spøgelsespartikler."
For at fange disse undvigende enheder har fysikere gennemført nogle ekstraordinært ambitiøse eksperimenter. Så at neutrinoer ikke forveksles med kosmiske stråler (subatomære partikler fra det ydre rum, der ikke trænger gennem jorden), er detektorer installeret dybt under jorden. Enorme er placeret i guld- og nikkelminer, i tunneler under bjerge, i havet og i Antarktis. Disse underligt smukke enheder er monumenter til menneskehedens beslutning om at lære om universet.
Det er uklart, hvilke praktiske anvendelser der kommer fra at studere neutrinoer. ”Vi ved ikke, hvor det vil føre, ” siger Boris Kayser, en teoretisk fysiker ved Fermilab i Batavia, Illinois.
Fysikere studerer neutrinoer delvist, fordi neutrinoer er så underlige karakterer: de ser ud til at bryde reglerne, der beskriver naturen på dens mest grundlæggende. Og hvis fysikere nogensinde vil opfylde deres håb om at udvikle en sammenhængende teori om virkelighed, der forklarer det grundlæggende i naturen uden undtagelse, bliver de nødt til at redegøre for neutrinos opførsel.
Derudover intriger neutrino forskere, fordi partiklerne er budbringere fra universets ydre rækkevidde, skabt af voldsomt eksploderende galakser og andre mystiske fænomener. ”Neutrinos kan muligvis fortælle os ting, som de mere humdrumpartikler ikke kan, ” siger Kayser.
Fysikere forestillede sig neutrinoer længe før de nogensinde fandt nogen. I 1930 skabte de konceptet for at balancere en ligning, der ikke var ved at tilføje. Når kernen i et radioaktivt atom nedbrydes, skal energien i partiklerne, den udsender, være lig med den energi, den oprindeligt indeholdt. Men forskere observerede faktisk, at kernen mistede mere energi, end detektorerne opsamlede. Så for at redegøre for den ekstra energi, udtænkte fysikeren Wolfgang Pauli en ekstra, usynlig partikel, der udsendes af kernen. ”Jeg har gjort noget meget dårligt i dag ved at foreslå en partikel, der ikke kan opdages, ” skrev Pauli i sin dagbog. ”Det er noget, ingen teoretiker nogensinde skal gøre.”
Eksperimentelle eksperter begyndte alligevel at lede efter det. På et atomvåbenlaboratorium i South Carolina i midten af 1950'erne stationerede de to store vandtanke uden for en atomreaktor, der ifølge deres ligninger skulle have gjort ti billioner neutrinoer et sekund. Detektoren var lille efter dagens standarder, men det lykkedes stadig at opdage neutrinoer - tre i timen. Forskerne havde konstateret, at den foreslåede neutrino faktisk var reel; undersøgelse af den undvigende partikel accelereret.
Et årti senere blev marken opskaleret, da en anden gruppe fysikere installerede en detektor i Homestake-guldgruven i Lead, South Dakota, 4.850 fod under jorden. I dette eksperiment forsøgte forskerne at observere neutrinoer ved at overvåge, hvad der sker ved den sjældne lejlighed, når en neutrino kolliderer med et kloratom og skaber radioaktivt argon, som let kan påvises. Kernen i eksperimentet var en tank fyldt med 600 ton af en klorrig væske, perchlorethylen, en væske, der blev anvendt til rensning. Hver par måneder skyllede forskerne tanken og udtrækker ca. 15 argonatomer, hvilket er bevis på 15 neutrinoer. Overvågningen fortsatte i mere end 30 år.
I håb om at opdage neutrinoer i større antal førte forskere i Japan et eksperiment 3.300 fod under jorden i en zinkmine. Super-Kamiokande, eller Super-K, som det er kendt, begyndte at operere i 1996. Detektoren består af 50.000 tons vand i en kuppeltank, hvis vægge er dækket med 13.000 lyssensorer. Sensorerne registrerer den lejlighedsvis blå blitz (for svag til, at vores øjne kan se), der er lavet, når en neutrino kolliderer med et atom i vandet og skaber et elektron. Og ved at spore den nøjagtige sti, elektronet kørte i vandet, kunne fysikere udlede kilden, i rummet, til den kolliderende neutrino. De fleste, de fandt, kom fra solen. Målingerne var tilstrækkelig følsomme til, at Super-K kunne spore solens vej over himlen og fra næsten en kilometer under jordoverfladen blev vaktdag til natt. ”Det er virkelig en spændende ting, ” siger Janet Conrad, fysiker ved Massachusetts Institute of Technology. Partikelsporene kan sammenstilles for at skabe "et smukt billede, billedet af solen i neutrinoer."
Men Homestake- og Super-K-eksperimenterne opdagede ikke så mange neutrinoer, som fysikere forventede. Forskning ved Sudbury Neutrino Observatory (SNO, udtalt "sne") bestemte hvorfor. SNO, der er installeret i en 6 800 fod-dyb nikkelgruve i Ontario, indeholder 1.100 tons “tungt vand”, som har en usædvanlig form for brint, der reagerer relativt let med neutrinoer. Væsken befinder sig i en tank ophængt inde i en kæmpe akrylkugle, der i sig selv holdes inde i en geodesisk overbygning, der absorberer vibrationer og hvorpå der er hængt 9.456 lyssensorer - det hele ser ud som et 30 fodhøjt juletræornament.
Forskere, der arbejdede ved SNO, opdagede i 2001, at en neutrino spontant kan skifte mellem tre forskellige identiteter - eller som fysikere siger, det svinger mellem tre smag. Opdagelsen havde overraskende følger. For det første viste det, at tidligere eksperimenter havde registreret langt færre neutrinoer end forudsagt, fordi instrumenterne var indstillet til kun én neutrinosmag - den slags, der skaber et elektron - og manglede dem, der skiftede. For det andet væltede fundet fysikernes tro på, at en neutrino, som en foton, ikke har nogen masse. (At svinge mellem smagene er noget, som kun partikler med masse er i stand til at gøre.)
Hvor meget masse har neutrinoer? For at finde ud af det bygger fysikere KATRIN - Karlsruhe Tritium Neutrino-eksperimentet. KATRIN's forretningsmæssige ende kan prale af en 200 ton enhed kaldet et spektrometer, der måler massen af atomer før og efter at de henfalder radioaktivt - og derved afslører, hvor meget masse neutrinoen bærer af. Teknikere byggede spektrometret omkring 250 miles fra Karlsruhe, Tyskland, hvor eksperimentet vil fungere; enheden var for stor til regionens smalle veje, så den blev sat på en båd på Donau-floden og flydede forbi Wien, Budapest og Beograd, i Sortehavet, gennem Det Ægæiske Hav og Middelhavet, omkring Spanien, gennem den engelske kanal, til Rotterdam og ind i Rhinen, derefter sydpå til flodhavnen i Leopoldshafen, Tyskland. Der blev det lastet ned på en lastbil og tippet gennem byen til sin destination, to måneder og 5600 miles senere. Det er planlagt at begynde at indsamle data i 2012.
Fysikere og astronomer, der er interesseret i de oplysninger, som neutrinoer fra det ydre rum kan føre til supernovas eller kolliderende galakser, har oprettet neutrino-teleskoper. En, kaldet IceCube, er inde i et isfelt i Antarktis. Når det er afsluttet, i 2011, vil det bestå af mere end 5.000 blålys-sensorer (se diagram ovenfor). Sensorerne er ikke rettet mod himlen, som du kunne forvente, men mod jorden, for at registrere neutrinoer fra solen og det ydre rum, der kommer gennem planeten fra nord. Jorden blokerer kosmiske stråler, men de fleste neutrinoer går gennem den 8.000 mil brede planet, som om den ikke var der.
Et neutrinoxperiment med lang afstand finder sted under adskillige Midwestern-stater. En højenergiaccelerator, der genererer subatomære partikler, skyder stråler af neutrinoer og beslægtede partikler så meget som seks miles dyb, under det nordlige Illinois, over Wisconsin og ind i Minnesota. Partiklerne starter ved Fermilab som en del af et eksperiment kaldet Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). På mindre end tre tusindedels sekund ramte de en detektor i Soudan-jernminen, 450 miles væk. De data, som forskerne har indsamlet, komplicerer deres billede af denne uendelige verden: Det ser ud til, at eksotiske former for neutrinoer, såkaldte anti-neutrinoer, muligvis ikke følger de samme regler for svingning som andre neutrinoer.
"Hvad er cool, " siger Conrad, "er, at det ikke er, som vi forventede."
Når det kommer til neutrinoer, er meget lidt.
Ann Finkbeiner 's nyeste bog, A Grand and Bold Thing, handler om Sloan Digital Sky Survey, en indsats for at kortlægge universet.
De fleste neutrinoer, der bombarderer os, kommer fra solen, vist her i et ultraviolet billede. (NASA) 
Den kavernøse Super-Kamiokande-detektor i Japan er foret med 13.000 sensorer til at identificere tegn på neutrinoer. Arbejdere i en båd overvåger enheden, når den fyldes med vand. (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo) 
I en række reaktioner ved solens kerne skaber brintatomer helium gennem fusion. Processen frigiver energi og subatomære partikler, herunder neutrinoer. Når en foton eller en partikel af lys forlader solens tætte kerne, bliver den fanget i varmen og raseri og kommer måske ikke til os i millioner af år. Men en solneutrino undeterred og når jorden på otte minutter. (Samuel Velasco / 5W Infographics) 
Canadas Sudbury Neutrino Observatory bekræftede, at en neutrino kan ændre dens identitet. (SNO) 
Fysikere ved Brookhaven National Laboratory i New York, vist her i laboratoriets STAR-detektor, håber at skyde en neutrino-stråle under jorden til Homestake-minen i South Dakota. (BNL) 
MINOS neutrino detektor i Minnesota er målet for bjælker af neutrino skudt fra Illinois. (Fermilab Visual Media Services) 
KATRIN-spektrometret, der måler neutrinoens masse, presset gennem Leopoldshafen, Tyskland, på vej til et laboratorium. (Karlsruhe Institut for Teknologi) 
IceCube neutrino detektor i Antarktis er indlejret i isen. Med 5.000 sensorer knyttet til mere end 70 linjer vil IceCube se efter neutrinoer, der er passeret 8.000 miles gennem planeten. (University of Wisconsin-Madison) 
En streng sensorer falder ned i et 8.000 fod dybt hul. (Jim Haugen / National Science Foundation)
