Der 4. Geschmack? Wissenschaftler schlie├čen sich einer neuen Art von Neutrino an

Ich liebe ein gutes Geheimnis, ob es sich herausstellt, dass der Butler es getan hat, oder ob es Oberst 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 Puzzlespiel ist. Es handelt sich um ein subatomares Teilchen, das Neutrino, das der Geist des Mikrokosmos ist und in der Lage ist, ohne Wechselwirkung durch die Erde zu gelangen. Und das ist, bevor wir anfangen, über die komischen Sachen zu sprechen.

Die jüngste Messung, die von einer Zusammenarbeit von Wissenschaftlern namens MiniBooNE durchgeführt wurde, könnte die mögliche Entdeckung einer neuen Art von Neutrino ankündigen, die möglicherweise die Quelle dunkler Materie sein könnte - eines der drängendsten Rätsel der modernen Astronomie. Aber um zu verstehen, wie alles zusammenhängt, müssen Sie die Geschichte der Neutrinos kennen, eine faszinierende Geschichte mit Drehungen und Wendungen, die Agatha Christie den Kopf drehen lassen. [Die 18 größten ungelösten Mysterien in der Physik]

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

Im Jahr 1956 beobachtete ein Team von Physikern, angeführt von den Amerikanern Clyde Cowan und Frederick Reines, zum ersten Mal die geisterhaften Teilchen. Für ihre Entdeckung teilte Reines den Nobelpreis für Physik 1995. (Cowan starb, bevor der Preis verliehen wurde.)

Im Laufe der Jahrzehnte wurde deutlich, dass es drei verschiedene Arten von Neutrinos gab, die man heute Aromen nennt. Jeder Neutrino Geschmack ist anders, wie die Vanille, Erdbeere und Schokolade Neapolitanischen Eis der Kindheit. Die tatsächlichen Aromen der Neutrinos stammen aus ihrer Verbindung mit anderen subatomaren Teilchen. Es gibt Elektron-Neutrino, Myon-Neutrino und Tau-Neutrino, die jeweils mit dem Elektron, Myon und Tau verbunden sind. Das Elektron ist das vertraute Teilchen aus den Atomen, und das Myon und das Tau sind die chubbier und instabilen Verwandten des Elektrons.

Jeder Geschmack von Neutrino ist verschieden und niemals die zwei (oder drei in diesem Fall) treffen sich. So schien es zumindest.

In den 1960er und 1970er Jahren entstand ein Rätsel ... sozusagen ein Neutrino-Rätsel. Die amerikanischen Forscher Raymond Davis und John Bahcall versuchten, die Geschwindigkeit von Neutrinos (speziell Elektron-Neutrinos) zu berechnen und zu messen, die im größten Atomreaktor rund um die Sonne produziert werden. Wenn die Vorhersage und die Messung verglichen wurden, stimmten sie nicht zu. Der Experimentator Davis fand nur etwa ein Drittel so viele Elektron-Neutrinos wie der Theoretiker Bahcall vorhergesagt hatte.

Dieses besondere Experiment war atemberaubend erstaunlich. Davis benutzte einen Behälter von der Größe eines olympischen Schwimmbeckens voller herkömmlicher Reinigungsflüssigkeit, um die Neutrinos zu erkennen. Die Idee war, dass wenn Neutrinos von der Sonne auf die Chloratome in der Reinigungsflüssigkeit treffen, diese Atome in Argon umgewandelt werden. Davis würde ein paar Wochen warten und dann versuchen, das Argon zu extrahieren. Er erwartete etwas wie 10 Argon-Atome, aber er fand nur drei. Ja, du hast das richtig gelesen ... nur drei Atome.

Zusätzlich zur experimentellen Schwierigkeit war die Berechnung, die Bahcall machte, herausfordernd und extrem empfindlich auf die Kerntemperatur der Sonne. Eine winzige, winzige Änderung der Temperatur der Sonne veränderte die Vorhersage der Anzahl der Neutrinos, die erzeugt werden sollten.

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

Eine weitere Diskrepanz verwirrte die Forscher. Neutrinos werden in der Erdatmosphäre produziert, wenn kosmische Strahlen aus dem Weltraum in die Luft einschlagen, die wir alle atmen. Wissenschaftler wissen mit großer Zuversicht, dass in diesem Fall Myon- und Elektron-Neutrinos in einem 2: 1-Verhältnis erzeugt werden. Als diese Neutrinos gemessen wurden, wurden Myon- und Elektron-Neutrinos im Verhältnis 1 zu 1 gefunden. Wieder einmal verwirrten Neutrinos Physiker.

Das Geheimnis der Neutrinos aus 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 nutzten, um das Verhältnis von Myonen- und Elektron-Neutrinos in der Atmosphäre 12 Meilen über dem Tank zu untersuchen , verglichen mit dem gleichen Verhältnis, das auf der anderen Seite des Planeten oder ungefähr 8.000 Meilen entfernt geschaffen wurde. Mit diesem cleveren Ansatz fanden sie heraus, dass die Neutrinos ihre Identität änderten, als sie reisten. Zum Beispiel verwandelten sich in der Davis-Bahcall-Konstellation Elektron-Neutrinos aus der Sonne in die anderen beiden Geschmacksrichtungen. [Bilder: In den besten Physiklabors der Welt]

Dieses Phänomen von Neutrinos, die Aromen verändern, ähnlich wie Vanille, die zu Erdbeere oder Schokolade wird, wird als Neutrinooszillation bezeichnet. Denn Neutrinos verändern nicht nur ihre Identität und hören auf. Stattdessen erhalten die drei Arten von Neutrinos, wenn ihnen genügend Zeit gegeben wird, ständig ihre Identität wieder und wieder. Die Erklärung der Neutrinooszillation wurde 2001 durch ein in Sudbury, Ontario, durchgeführtes Experiment bestätigt und weiter geklärt.

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

Nachdem das Phänomen der Neutrinooszillation etabliert wurde, konnten Wissenschaftler es mit Teilchenbeschleunigern untersuchen. Sie könnten Strahlen von Neutrinos erzeugen und charakterisieren, wie schnell sie von einem Geschmack zum anderen übergehen.Tatsächlich gibt es eine ganze Neutrino-Oszillationsindustrie mit Beschleunigern rund um den Globus, die das Phänomen untersuchen. Das Flaggschifflabor für Neutrino-Studien ist mein eigenes Fermilab.

Ein vierter Geschmack?

Eine Studie, die 2001 im Los Alamos Labor durch eine Zusammenarbeit namens LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) durchgeführt wurde, sticht hervor. Ihre Messung passte nicht in das akzeptierte Bild von drei verschiedenen Geschmacksrichtungen von Neutrinos. Um ihre Ergebnisse sinnvoll zu machen, mussten sie eine vierte Art von Neutrino hypothetisieren. Und das war keine gewöhnliche Art von Neutrino. Es wird "steriles Neutrino" genannt, was bedeutet, dass es im Gegensatz zu gewöhnlichen Neutrinos nicht die schwache Kraft empfindet. Aber es hat an der Neutrinooszillation teilgenommen ... am Morphing von Neutrinoaromen. 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 nicht mit ihnen überein. Tatsächlich war das LSND-Ergebnis ein Ausreißer - so eigenartig, dass es normalerweise nicht in Metaanalysen der Neutrinophysik verwendet wurde.

Und jetzt kommen wir zur jüngsten Messung durch das MiniBooNE Experiment bei Fermilab. Der Name kommt von "BOOster Neutrino Experiment." Es nutzt einen der Fermilab-Beschleuniger namens Booster, um Neutrinos herzustellen. Der "Mini" kommt von der Tatsache, dass, als es gebaut wurde, ein größeres Folgen auf Experiment vorgestellt wurde.

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

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

Nun, das ist, wie sie sagen, eine gute Frage. Es könnte sein, dass die LSND- und MiniBooNE-Forscher einfach etwas gefunden haben, was die anderen Experimente vermisst haben. Oder es könnte sein, dass LSND und MiniBooNE beide eine falsche Entdeckung gemacht haben. Oder es könnte sein, dass diese beiden speziellen Versuchsapparate so sensibel sind, wie es die anderen nicht tun. Ein wichtiger Parameter ist, dass die Entfernung zwischen dem Ort, an dem die Neutrinos erzeugt wurden und wo sie entdeckt wurde, relativ kurz war - nur ein paar hundert Meter oder die Länge der Apparaturen mehrere Fußballfelder. Neutrinos brauchen Zeit, um zu oszillieren, und wenn sie sich bewegen, bedeutet das Distanz. Viele Experimente von Neutrinooszillationen haben Detektoren, die einige oder mehrere hundert Kilometer entfernt sind. Vielleicht findet die wichtige Oszillation schnell statt, daher ist ein naher Detektor entscheidend.

Das Problem wird dadurch erschwert, dass die LSND- und MiniBooNE-Kollaborationen, obwohl sie um mehr als ein Jahrzehnt getrennt sind, einige derselben Personen involvierten. Es bleibt also möglich, dass sie denselben Fehler wiederholen. Oder vielleicht die gleiche Brillanz zu zeigen. Es ist schwer sicher zu sein.

Also, 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, sind nicht ein, sondern drei verschiedene Neutrinoexperimente entweder in Betrieb oder sind im Aufbau, mit kurzen Abständen zwischen dem Erzeugungs- und Detektionspunkt von Neutrinos. Eine heißt MicroBooNE (eine kleinere Version von MiniBooNE und mit anderer Technologie), die andere ist ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signale), und die dritte ist SBN (Short Baseline Neutrino). Alle diese Experimente sind MiniBooNE und LSND in Bezug auf die technischen Fähigkeiten weit überlegen und so hoffen die Forscher, dass sie auf der Zeitskala von ein paar Jahren definitive Aussagen zum Thema sterile Neutrinos machen werden.

Also, was wird die endgültige Antwort sein? Ich weiß nicht - das ist die Sache mit der Forschung ... du bist völlig verwirrt, bis du es weißt. Aber was ich weiß ist, dass dies ein faszinierendes Mysterium ist, mit mehr als nur ein paar Überraschungen und Überraschungen. Ich bin mir ziemlich sicher, dass selbst Sherlock Holmes verwirrt sein würde.

Don Lincoln ist leitender Wissenschaftler am Fermi National Accelerator Laboratory und außerordentlicher Professor für Physik an der Universität von Notre Dame. Er forscht mit dem Compact Muon Solenoid Detektor am Large Hadron Collider. Als Co-Autor von mehr als 1.000 wissenschaftlichen Arbeiten ist sein wissenschaftliches Interesse breit und umfasst Fragen wie die Natur der dunklen Materie, Verständnis, warum wir keine Antimaterie im Universum sehen und ob die bekannten Quarks und Leptonen aus noch kleineren Teilchen bestehen.

Darüber hinaus hat er viele populärwissenschaftliche Bücher auf seinem Konto, darunter "The Large Hadron Collider: Die außergewöhnliche Geschichte des Higgs-Boson und andere Dinge, die deinen Verstand umhauen werden" (Johns Hopkins University Press, 2014). Er schreibt für die NOVA-Website, hat Cover-Artikel für Scientific American geschrieben und Artikel für CNN und die Huffington Post veröffentlicht. Er produziert auch eine Reihe von YouTube-Videos über Teilchenphysik und Kosmologie für die Öffentlichkeit. Lincoln ist Mitglied der American Physical Society und der American Association for the Advancement of Science und wurde für seine wissenschaftlichen Bemühungen mit dem Gemant Award 2017 des American Institute of Physics ausgezeichnet.

Die in seinen Kommentaren geäußerten Meinungen sind ausschließlich die des Autors.