Hvert eneste sekund hver eneste dag blir du bombardert av billioner på billioner av subatomære partikler, og dusjer ned fra verdensrommet. De blåser gjennom deg med styrken fra en kosmisk orkan, og sprenger inn nesten lysets hastighet. De kommer fra hele himmelen, til alle tider av dagen og natten. De trenger inn i jordas magnetfelt og vår beskyttende atmosfære som så mye smør.
Og likevel, håret på toppen av hodet ditt er ikke en gang ruffled.
Hva skjer?
Lite nøytral
Disse bittesmå små kulene kalles nøytrinoer, et begrep myntet i 1934 av den strålende fysikeren Enrico Fermi. Ordet er vagt italiensk for "liten nøytral en", og deres eksistens ble antatt for å forklare en veldig nysgjerrig atomreaksjon.
Noen ganger føles elementer litt ... ustabile. Og hvis de blir liggende alene for lenge, faller de fra hverandre og forvandler seg til noe annet, noe litt lettere på det periodiske bordet. I tillegg vil det komme ut litt elektron. Men på 1920-tallet fant nøye og detaljerte observasjoner av de forfallene små, fnise avvik. Den totale energien ved starten av prosessen var litt større enn energien som kom ut. Regnestykket la ikke opp. Merkelig.
Så noen få fysikere kokte sammen en helt ny partikkel av hel duk. Noe for å frakte den manglende energien. Noe lite, noe lett, noe uten lading. Noe som kunne glide gjennom detektorene deres ubemerket.
En liten, nøytral. En nøytrino.
Det tok ytterligere et par tiår å bekrefte deres eksistens - det er hvor glatte og dårlige og sleipe de er. Men i 1956 sluttet nøytrinoer seg til den voksende familien av kjente, målte, bekreftede partikler.
Og så ble ting rart.
Favoritt smak
Problemet begynte å brygge med oppdagelsen av muon, som tilfeldigvis skjedde omtrent samtidig med at neutrino-ideen begynte å få terreng: 1930-tallet. Muonet er nesten nøyaktig som et elektron. Samme kostnad. Samme spinn. Men det er annerledes på en avgjørende måte: Den er tyngre, over 200 ganger mer massiv enn søsken, elektronet.
Muons deltar i sine egne reaksjoner, men har ikke en tendens til å vare lenge. På grunn av sin imponerende bulk, er de veldig ustabile og forfaller raskt til dusjer med mindre biter ("raskt" betyr her i løpet av et mikrosekund eller to).
Det er vel og bra, så hvorfor kommer muoner inn i nøytrino-historien?
Fysikere merket at forfallsreaksjoner som antydet eksistensen av nøytrinoen alltid hadde et elektron som dukket opp, og aldri en muon. I andre reaksjoner ville muoner dukke opp, og ikke elektroner. For å forklare disse funnene resonnerte de at nøytrinoer alltid stemte overens med elektroner i disse forfallsreaksjonene (og ikke noen annen type nøytrino), mens elektron, muonet må pare seg med en ennå uoppdaget type nøytrino ... Tross alt, elektronet -vennlig nøytrino ville ikke være i stand til å forklare observasjonene fra muon-hendelsene.
Og slik gikk jakten på. Og på. Og på. Det var først i 1962 at fysikere endelig fikk en lås på den andre typen nøytrino. Det ble opprinnelig kalt "neutrettoen", men mer rasjonelle hoder hersket med ordningen med å kalle det muon-nøytrinoen, siden det alltid koblet seg sammen i reaksjoner med muon.
The Way of the Tao
Ok, så to bekreftede nøytrinoer. Hadde naturen mer i vente for oss? I 1975 siktet forskere ved Stanford Linear Accelerator Center tappert gjennom fjell av monotone data for å avsløre eksistensen av et enda tyngre søsken til den kvikke elektron og heftige muon: den hulking tau, klokker inn til en enorm 3.500 ganger massen til elektronet . Det er en stor partikkel!
Så umiddelbart ble spørsmålet: Hvis det er en familie på tre partikler, elektronet, muon og tau ... kan det være en tredje nøytrino, for å pare seg sammen med denne nyvunne skapningen?
Kanskje, kanskje ikke. Kanskje er det bare de to nøytrinoene. Kanskje er det fire. Kanskje 17. Naturen har ikke nøyaktig oppfylt forventningene våre før, så ingen grunn til å starte nå.
I løpet av tiårene overbeviste fysikere seg over mange grufulle detaljer, overbeviste fysikere seg ved å bruke en rekke eksperimenter og observasjoner om at en tredje nøytrino burde eksistere. Men det var ikke før kanten av årtusenskiftet, i 2000, at et spesielt designet eksperiment på Fermilab (kalt humoristisk DONUT-eksperimentet, for direkte observasjon av NU Tau, og nei, det gjør jeg ikke) endelig fikk nok bekreftede observasjoner til med rette å kreve en påvisning.
Jage spøkelsene
Så hvorfor bryr vi oss så mye om nøytrinoer? Hvorfor har vi jaget dem i over 70 år, fra før andre verdenskrig og inn i moderne tid? Hvorfor har generasjoner av forskere blitt så fascinert av disse små, nøytrale?
Årsaken er at nøytrinoer fortsetter å leve utenfor forventningene våre. I lang tid var vi ikke en gang sikre på at de eksisterte. I lang tid var vi overbevist om at de var helt masseløse, helt til eksperimenter irriterende oppdaget at de måtte ha masse. Nøyaktig "hvor mye" gjenstår et moderne problem. Og nøytrinoer har denne irriterende vanen å endre karakter når de reiser. Det stemmer, mens en nøytrino reiser på flukt, kan den bytte masker mellom de tre smakene.
Det kan til og med fremdeles være en ekstra nøytrino der ute som ikke deltar i noen vanlige interaksjoner - noe som er kjent som den sterile neutrinoen, som fysikere jakter etter.
Med andre ord, nøytrinoer utfordrer kontinuerlig alt vi vet om fysikk. Og hvis det er en ting vi trenger, både i fortiden og i fremtiden, er det en god utfordring.
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.
