Neutrino er kanskje den mest puslende av de kjente partiklene. De bare fletter alle de kjente reglene for hvordan partikler bør oppføre seg. De håner på de fancy detektorene våre. Som kosmiske katter, traipes de over hele universet uten bekymring eller omsorg, og samhandler noen ganger med resten av oss, men egentlig bare når de har lyst på det, som ærlig talt ikke er så ofte.
Mest frustrerende av alt, de bruker masker og ser aldri ut på samme måte to ganger.
Men et nytt eksperiment kan ha tatt oss bare et skritt nærmere å rive bort de maskene. Å avsløre den sanne nøytrino-identiteten kan bidra til å svare på langvarige spørsmål, som om nøytrinoer er deres egne antimaterielle partnere, og det kan til og med bidra til å forene naturens krefter i en sammenhengende teori.
Et enormt problem
Nøytrinoer er rare. Det er tre typer: elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino. (Det er også antipartikkelversjonene av disse tre, men det er ikke en stor del av denne historien.) De er så navngitt fordi disse tre typene får feste med tre forskjellige typer partikler. Elektronneutrino deltar i interaksjoner som involverer elektron. Muon-nøytrinoer kobles sammen med muoner. Det gis ingen poeng for å gjette hva tau neutrino interagerer med.
Så langt er det ikke rart i det hele tatt. Her kommer den rare delen.
For partikler som er ikke nøytrinoer - som elektroner, muoner og taupartikler - det du ser er hva du får. Disse partiklene er alle de samme bortsett fra massene deres. Hvis du oppdager en partikkel med massen til et elektron, vil den oppføre seg akkurat som et elektron skal oppføre seg, og det samme gjelder for muon og tau. Når du først ser et elektron, vil det alltid være et elektron. Intet mer, intet mindre. Samme for muon og tau.
Men det samme gjør ikke kusinene sine, elektron-, muon- og tau-nøytrinoene.
Det vi kaller, sier "tau neutrino" er ikke alltid tau neutrino. Det kan endre identiteten. Det kan bli midtflyt, et elektron- eller muonneutrino.
Dette rare fenomenet som i utgangspunktet ingen ventet, kalles neutrino-svingning. Det betyr blant annet at du kan lage et elektronnøytrino og sende det til din beste venn som gave. Men når de får det til, kan de bli skuffet over å finne en tau neutrino i stedet.
Vippen
Av tekniske grunner fungerer nøytrino-svingningen bare hvis det er tre nøytrinoer med tre forskjellige masser. Men nøytrinoene som svinger er ikke elektron-, muon- og tau-flavored nøytrinoer.
I stedet er det tre "sanne" nøytrinoer, hver med forskjellige, men ukjente masser. En distinkt blanding av disse sanne, grunnleggende nøytrinoene skaper hver av nøytrino-smakene vi oppdager i laboratoriene våre (elektron, muon, tau). Så, den laboratoriemålte massen er en blanding av de sanne nøytrino-massene. I mellomtiden styrer massen av hver ekte nøytrino i blandingen hvor ofte den omformes til hver av de forskjellige smakene.
Jobben for fysikere nå er å skille ut alle forholdene: Hva er massene av de sanne nøytrinoene, og hvordan blander de seg sammen for å lage de tre smakene?
Så fysikere er på jakt for å avdekke massene av de "sanne" nøytrinoene ved å se på når og hvor ofte de bytter smaker. Igjen er fysikksjargongen veldig lite nyttig når man forklarer dette, ettersom navnene på disse tre nøytrinoene bare er m1, m2 og m3.
En rekke møysommelige eksperimenter har lært forskere noen ting om massene til de sanne nøytrinoene, i det minste indirekte. For eksempel vet vi om noen av forholdene mellom massenes kvadrat. Men vi vet ikke nøyaktig hvor mye noen av de sanne nøytrinoene veier, og vi vet ikke hvilke som er tyngre.
Det kan være at m3 er den tyngste, langt oppvekkende m2 og m1. Dette kalles "normal bestilling" fordi det virker ganske normalt - og det er de bestillende fysikerne i det vesentlige gjettet for tiår siden. Men basert på vår nåværende kunnskapstilstand, kan det også være at m2 er den tyngste nøytrinoen, med m1 ikke langt bak og m3 tøff i sammenligning. Dette scenariet kalles "omvendt rekkefølge", fordi det betyr at vi gjettet feil orden innledningsvis.
Selvfølgelig er det leirer av teoretikere som pining for at hvert av disse scenariene skal være sanne. Teorier som prøver å forene alle (eller i det minste de fleste) naturkreftene under ett tak, krever vanligvis normal orden av nøytrino. På den annen side er orden i omvendt masse nødvendig for at nøytrinoen skal være sin egen antipartikkel-tvilling. Og hvis det var sant, kan det hjelpe å forklare hvorfor det er mer materie enn antimaterie i universet.
DeepCore trening
Hvilken er det: normal eller omvendt? Det er et av de største spørsmålene som dukker opp fra de siste tiårene med nøytrino-forskning, og det er akkurat det spørsmålet som det massive IceCube Neutrino Observatory ble designet for å svare på. Ligger ved Sydpolen, består observatoriet av dusinvis av strenger med detektorer som er sunket ned i det antarktiske isarket, med en sentral "DeepCore" av åtte strenger med mer effektive detektorer som kan se interaksjoner med lavere energi.
Neutrinoer snakker knapt til normal materie, så de er perfekt i stand til å sprite rett gjennom selve jorda kroppen. Og når de gjør det, vil de omformes til de forskjellige smakene. Hver sjelden gang vil de slå et molekyl i det antarktiske isbladet nær IceCube-detektoren, og utløse en brusende dusj av partikler som avgir et overraskende blått lys kalt Cherenkov-stråling. Det er dette lyset som IceCube-strengene oppdager.
I en fersk artikkel publisert i det fortrykket tidsskriftet arXiv, brukte forskere fra IceCube tre år med DeepCore-data for å måle hvor mange av hver slags nøytrino som gikk gjennom jorden. Fremgangen er selvfølgelig treg fordi nøytrinoer er så vanskelig å fange. Men i dette arbeidet. forskerne rapporterer om en liten preferanse i dataene for normal bestilling (noe som vil bety at vi gjettet rett for flere tiår siden). Imidlertid har de ikke funnet noe for avgjørende ennå.
Er dette alt vi får? Absolutt ikke. IceCube forbereder seg på en større oppgradering snart, og nye eksperimenter som Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) og Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) er i ferd med å klare seg for å takle dette sentrale spørsmålet også. Hvem visste at et så enkelt spørsmål om bestilling av nøytrino-masser ville avsløre så mye av måten universet fungerer på? Det er synd det er heller ikke et lett spørsmål.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av "Spør en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter av"Din plass i universet."
