Der 4. Geschmack? Wissenschaftler nähern sich einer neuen Art von Neutrino

Ich liebe ein gutes Rätsel, ob sich herausstellt, dass der Butler es getan hat, oder ob es Colonel Mustard in der Bibliothek mit einem Kerzenhalter war.

Aber ich liebe wissenschaftliche Geheimnisse noch mehr.

Kürzlich haben Wissenschaftler, die am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) forschen, eine Messung angekündigt, die ein echtes Rätsel ist. Es handelt sich um ein subatomares Teilchen namens Neutrino, das der Geist des Mikrokosmos ist und ohne Wechselwirkung durch die Erde gelangen kann. Und das ist, BEVOR wir anfangen, über das seltsame Zeug zu reden.

Die jüngste Messung, die von einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern namens MiniBooNE durchgeführt wurde, könnte die mögliche Entdeckung einer neuen Art von Neutrino einläuten, die möglicherweise die Quelle dunkler Materie sein könnte - eines der dringlichsten Rätsel der modernen Astronomie. Aber um zu verstehen, wie alles zusammen hängt, müssen Sie die Geschichte der Neutrinos kennen, eine faszinierende Geschichte mit Wendungen, die Agatha Christies Kopf drehen lassen würden. [Die 18 größten ungelösten Rätsel der Physik]

Der österreichische Physiker Wolfgang Pauli schlug erstmals 1930 die Existenz von Neutrinos vor. Wir wissen jetzt, dass Neutrinos nur durch die einfallslose "schwache Kraft" interagieren, die die schwächste der Kräfte ist, die über Entfernungen, die kleiner als Atome sind, einen Einfluss hat. Neutrinos entstehen in Kernreaktionen und in Teilchenbeschleunigern.

1956 beobachtete ein Team von Physikern unter der Leitung der Amerikaner Clyde Cowan und Frederick Reines zum ersten Mal die gespenstischen Teilchen. Für ihre Entdeckung erhielt Reines 1995 den Nobelpreis für Physik. (Cowan starb, bevor der Preis vergeben wurde.)

Im Laufe der Jahrzehnte wurde klar, dass es drei verschiedene Arten von Neutrinos gab, die heute als Aromen bezeichnet werden. Jeder Neutrino-Geschmack ist anders, wie das neapolitanische Vanille-, Erdbeer- und Schokoladeneis Ihrer Kindheit. Die tatsächlichen Aromen der Neutrinos ergeben sich aus ihrer Assoziation mit anderen subatomaren Partikeln. Es gibt das Elektronenneutrino, das Myonneutrino und das Tau-Neutrino, die mit dem Elektron, dem Myon bzw. dem Tau verbunden sind. Das Elektron ist das vertraute Teilchen aus den Atomen, und Myon und Tau sind die dickeren und instabileren Verwandten des Elektrons.

Jeder Neutrino-Geschmack ist anders und niemals dürfen sich die Zwillinge (oder in diesem Fall die Drei) treffen. Zumindest schien es so.

In den 1960er und 1970er Jahren entstand ein Rätsel… sozusagen ein Neutrino-Rätsel. Die amerikanischen Forscher Raymond Davis und John Bahcall versuchten, die Rate der Neutrinos (insbesondere Elektronenneutrinos) zu berechnen und zu messen, die im größten Kernreaktor der Welt produziert werden: der Sonne. Beim Vergleich von Vorhersage und Messung waren sie sich nicht einig. Experimentator Davis fand nur etwa ein Drittel so viele Elektronenneutrinos, wie der Theoretiker Bahcall vorausgesagt hatte.

Dieses besondere Experiment war umwerfend erstaunlich. Davis benutzte einen Behälter von der Größe eines olympischen Schwimmbades, der mit normaler Reinigungsflüssigkeit gefüllt war, um die Neutrinos zu erkennen. Die Idee war, dass wenn Neutrinos von der Sonne auf die Chloratome in der Reinigungsflüssigkeit treffen, diese Atome zu Argon werden. Davis würde ein paar Wochen warten und dann versuchen, das Argon zu extrahieren. Er erwartete ungefähr 10 Argonatome, fand aber nur drei. Ja, das hast du richtig gelesen ... nur drei Atome.

Zusätzlich zu den experimentellen Schwierigkeiten war die Berechnung, die Bahcall durchführte, herausfordernd und äußerst empfindlich gegenüber der Kerntemperatur der Sonne. Eine winzige, winzige Änderung der Sonnentemperatur veränderte die Vorhersage der Anzahl der Neutrinos, die produziert werden sollten.

Andere Experimente bestätigten die Diskrepanz, die Bahcall und Davis beobachteten, aber angesichts der Schwierigkeit, was sie versuchten, war ich mir ziemlich sicher, dass einer von ihnen einen Fehler gemacht hatte. Sowohl die Berechnung als auch die Messung waren unglaublich schwierig durchzuführen. Aber ich habe mich getäuscht.

Eine weitere Diskrepanz verwirrte die Forscher. Neutrinos entstehen in der Erdatmosphäre, wenn kosmische Strahlen aus dem Weltraum in die Luft fallen, die wir alle atmen. Wissenschaftler wissen mit großer Zuversicht, dass in diesem Fall Myon- und Elektronenneutrinos im Verhältnis 2 zu 1 hergestellt werden. Bei der Messung dieser Neutrinos wurden jedoch Myon- und Elektronenneutrinos im Verhältnis 1: 1 gefunden. Wiederum verwirrten Neutrinos die Physiker.

Das Rätsel der Neutrinos von der Sonne und der kosmischen Strahlung aus dem Weltraum wurde 1998 gelöst, als Forscher in Japan einen riesigen unterirdischen Tank mit 50.000 Tonnen Wasser verwendeten, um das Verhältnis von Myon- und Elektronenneutrinos zu untersuchen, die in der Atmosphäre 12 Meilen über dem Tank erzeugt wurden im Vergleich zu demselben Verhältnis, das auf der anderen Seite des Planeten oder in einer Entfernung von etwa 13.000 km erstellt wurde. Durch diesen cleveren Ansatz stellten sie fest, dass die Neutrinos auf ihrer Reise ihre Identität änderten. Zum Beispiel wechselten im Davis-Bahcall-Rätsel Elektronenneutrinos von der Sonne in die beiden anderen Geschmacksrichtungen. [Bilder: In den weltbesten Physiklabors]

Dieses Phänomen, dass Neutrinos ihre Aromen ändern, ähnlich wie Vanille zu Erdbeere oder Schokolade wird, wird als Neutrinoschwingung bezeichnet. Dies liegt daran, dass Neutrinos nicht nur ihre Identität ändern und aufhören. Wenn sie genügend Zeit haben, tauschen die drei Arten von Neutrinos ihre Identität ständig aus. Die Erklärung der Neutrinoschwingung wurde 2001 durch ein in Sudbury, Ontario, durchgeführtes Experiment bestätigt und weiter geklärt.

Wenn Ihnen diese Geschichte schwindelerregend vorkommt, fangen wir gerade erst an. Im Laufe der Jahre haben Neutrinos während der Sweeps Week mehr Überraschungen als eine Seifenoper ausgelöst.

Mit dem etablierten Phänomen der Neutrinoschwingung konnten Wissenschaftler es mit Teilchenbeschleunigern untersuchen. Sie könnten Neutrino-Strahlen erzeugen und charakterisieren, wie schnell sie sich von einem Geschmack zum anderen verwandeln. Tatsächlich gibt es eine ganze Neutrinooszillationsindustrie, in der Beschleuniger auf der ganzen Welt das Phänomen untersuchen. Das Flaggschiff-Labor für Neutrino-Studien ist mein eigenes Fermilab.

Ein vierter Geschmack?

Eine Studie aus dem Jahr 2001, die im Labor von Los Alamos von einer Kooperation namens LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) durchgeführt wurde, stach heraus. Ihre Messung passte nicht in das akzeptierte Bild von drei verschiedenen Neutrinosorten. Um ihre Ergebnisse sinnvoll zu machen, mussten sie eine vierte Art von Neutrino annehmen. Und das war keine gewöhnliche Art von Neutrino. Es wird als "steriles Neutrino" bezeichnet, was bedeutet, dass es im Gegensatz zu gewöhnlichen Neutrinos die schwache Kraft nicht spürte. Aber es war an der Neutrino-Oszillation beteiligt… der Verwandlung von Neutrino-Aromen. Und es war wahrscheinlich schwer, was bedeutet, dass es ein idealer Kandidat für dunkle Materie war.

Das wäre eine coole Beobachtung, aber viele andere Neutrinoexperimente stimmten ihnen nicht zu. Tatsächlich war das LSND-Ergebnis ein Ausreißer - so eigenartig, dass es normalerweise nicht in Metaanalysen der Neutrinophysik verwendet wurde.

Und jetzt kommen wir zu der jüngsten Messung durch das MiniBooNE-Experiment bei Fermilab. Der Name stammt von "BOOster Neutrino Experiment". Es verwendet einen der Fermilab-Beschleuniger namens Booster, um Neutrinos herzustellen. Das “Mini” kommt von der Tatsache, dass als es gebaut wurde, ein größeres Folgeexperiment ins Auge gefasst wurde.

MiniBooNE-Wissenschaftler fanden heraus, dass ihre Daten tatsächlich die LSND-Messung unterstützen. Wenn sie ihre Daten mit den LSND-Daten kombinieren, ist die statistische Stärke der Messung stark genug, um eine Entdeckung… möglicherweise von sterilen Neutrinos zu behaupten.

Aber dann gibt es die Tatsache, dass viele andere Experimente mit dem LSND-Experiment (und jetzt MiniBooNE) nicht ganz übereinstimmen. Also, was ist damit los??

Nun, das ist, wie sie sagen, eine gute Frage. Es könnte sein, dass die LSND- und MiniBooNE-Forscher einfach etwas gefunden haben, das die anderen Experimente übersehen haben. Oder es könnte sein, dass LSND und MiniBooNE beide eine falsche Entdeckung gemacht haben. Oder es könnte sein, dass diese beiden speziellen Versuchsapparate auf eine Weise empfindlich sind, die die anderen nicht sind. Ein wichtiger Parameter ist, dass der Abstand zwischen dem Ort, an dem die Neutrinos erzeugt wurden, und dem Ort, an dem sie nachgewiesen wurden, relativ kurz war - nur wenige hundert Meter oder die Länge der Apparate mehrerer Fußballfelder. Neutrinos brauchen Zeit, um zu schwingen, und wenn sie sich bewegen, bedeutet dies Distanz. Bei vielen Experimenten mit Neutrinooszillationen befinden sich Detektoren, die einige oder viele hundert Kilometer entfernt sind. Möglicherweise tritt die wichtige Schwingung schnell auf, daher ist ein enger Detektor von entscheidender Bedeutung.

Erschwerend kommt hinzu, dass an der Zusammenarbeit zwischen LSND und MiniBooNE, obwohl sie über ein Jahrzehnt voneinander getrennt sind, einige der gleichen Personen beteiligt waren. Es bleibt also möglich, dass sie denselben Fehler wiederholen. Oder vielleicht die gleiche Brillanz zeigen. Es ist schwer sicher zu sein.

Wie lösen wir das? Wie finden wir heraus, wer Recht hat? Nun, das ist Wissenschaft, und in der Wissenschaft gewinnen Messung und Replikation das Argument.

Und das sind gute Nachrichten. Angesichts der Tatsache, dass Fermilab sich entschieden hat, seine Fähigkeit zur Untersuchung von Neutrinos zu entwickeln, werden nicht nur ein, sondern drei verschiedene Neutrinoexperimente mit kurzen Abständen zwischen dem Erzeugungs- und dem Nachweispunkt von Neutrinos durchgeführt oder befinden sich im Aufbau. Eines heißt MicroBooNE (eine kleinere Version von MiniBooNE und mit anderer Technologie), das andere ist ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) und das dritte ist SBN (Short Baseline Neutrino). Alle diese Experimente sind MiniBooNE und LSND in Bezug auf die technischen Fähigkeiten weit überlegen, und daher hoffen die Forscher, dass sie in ein paar Jahren endgültige Aussagen zum Thema sterile Neutrinos treffen werden.

Also, was wird die endgültige Antwort sein? Ich weiß nicht - das ist die Sache mit der Forschung ... Sie sind völlig verwirrt, bis Sie es wissen. Was ich jedoch weiß, ist, dass dies ein faszinierendes Rätsel ist, das mehr als nur Überraschungen und Fallstricke enthält. Ich bin mir ziemlich sicher, dass sogar Sherlock Holmes verwirrt sein würde.

Ursprünglich veröffentlicht am .

Don Lincoln hat diesen Artikel zu Live Science beigetragen Expertenstimmen: Op-Ed & Insights.