I en galakse ikke langt fra Melkeveien brenner en kjempestjerne ut og eksploderer som en supernova. Fra kjernen av den døde stjernen sendes det ut rundt 10⁵⁷ nøytrinoer – et ett-tall etterfulgt av 57 nuller.
De spøkelsesaktige elementærpartikkelene brer seg ut i alle retninger av universet – og akkurat nå passerer noen av dem tvers gjennom deg.
I solsystemet myldrer det av nøytrinoer som hele tiden blir dannet ved kjernereaksjonene i stjernene. Likevel er nøytrinoene nærmest umulige å oppdage, for mesteparten farer tvers gjennom stjerner, planeter og annen materie de møter på sin vei.
Men dypt nede i et fjell i Japan er forskere nå i gang med å sette opp en nøytrinofelle. Her graver ingeniører og bygningsarbeidere ut Hyper-Kamiokande, en 60 meter høy vanntank som skal fylles opp med 258 millioner liter ultrarent vann for å fange opp de uhyre sjeldne sammenstøtene mellom nøytrinoer og vannmolekyler.
Lysglimt røper flyktige partikler
I en gammel sinkgruve i det japanske fjellet Nijugoyama holder nøytrinodetektoren Hyper-Kamiokande på å bli gravd ut. Detektoren får en 60 meter høy sylindrisk vanntank med en diameter på 74 meter. Små lysglimt i vannet vil røpe om det går en nøytrino i fellen, og deretter kan forskerne avgjøre hvilken type nøytrino det er snakk om og hvor den stammer fra.
Tanken støpes i utgravd kjempegrotte
Når grotten er gravd ut 650 meter nede i fjellet, blir den rå klippeveggen dekket med betong som armeres med et nett av stålstenger. Et ekstra lag betong pusses opp og kles med et vanntett lag av polyetylenplast. På alle flatene av tanken monteres lysdetektorer som skal fange opp lysglimt fra nøytrinoer.
Detektoren fylles med ultrarent vann
Tanken fylles opp med 258 millioner liter vann. Først sendes det gjennom et renseanlegg for å gjøre det så klart at lysglimt lettere kan trenge gjennom det. Vannet pumpes gjennom en rekke filtre og renses for salt ved hjelp av omvendt osmose. Til slutt fjernes mikroskopiske luftbobler.
Sammenstøt gir karakteristisk lyskjegle
Når en nøytrino eller antinøytrino kolliderer med en atomkjerne, oppstår det en partikkel med elektrisk ladning – en elektron-, myon- eller tau-partikkel – som farer igjennom vannet med høy hastighet. På sin vei sender partikkelen ut et svakt, blålig lys, såkalt tsjerenkov-stråling, som sprer seg i en kjegleform.
Lysglimt fanges opp av sensorer
40 000 ultrafølsomme lyssensorer omgir vannet på alle kanter. Elektronikken i de runde sensorene som har en diameter på 50 centimeter hver, og de sørger for å forvandle selv det minste lysglimt til et målbart elektrisk signal. En analyse av signalene røper hva slags nøytrino det var som forårsaket lysglimtet.
En like imponerende nøytrinodetektor er under konstruksjon halvannen kilometer nede i en gammel gullgruve i den amerikanske delstaten South Dakota.
Detektoren DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment – skal ikke bruke vann, men i stedet 68 000 tonn av edelgassen argon i flytende tilstand som skyteskive for de ørsmå partiklene.
Sammen skal de to detektorene forsøke å løse en av fysikkens aller største gåter: Hvorfor er det materie i universet?
Ifølge de fysiske teoriene burde materie og antimaterie ha eliminert hverandre ved universets begynnelse – men de flyktige nøytrinoene rommer kanskje svaret på hvorfor stjerner, planeter og mennesker eksisterer.
Materien vant over antimaterien
Albert Einstein oppdaget at materie og energi er to sider av samme sak. Energi kan forvandles til materie og omvendt ifølge den berømte ligningen E = mc², der E er energi, m står for masse, og c er lysets hastighet.
Ved universets begynnelse var det rikelig med energi som kunne bli til materie. Problemet er bare at fysikkens lover dikterer at hver eneste partikkel av materie som oppsto, ble ledsaget av en partikkel av antimaterie.
Fysikerne er enige om at det til enhver partikkel hører en antipartikkel med den samme massen, men motsatt ladning, og at det veldig tidlig i universets historie ble dannet like mye materie og antimaterie.
Vi lever imidlertid i et univers med en hel masse materie og uhyre lite antimaterie – for eksempel fra visse former for radioaktive nedbrytinger – og det er vanskelig å forklare.
Når en partikkel møter en antipartikkel, forsvinner begge to, og resultatet er energi i form av stråling. Så egentlig burde alle partikler og antipartikler ha forduftet igjen når det nå var like mange av dem fra begynnelsen.
Det finnes tre typer nøytrinoer, og de oppfører seg helt annerledes enn de andre 14 elementærpartiklene i den såkalte standardmodellen.
Nøytrinoer er noen raringer
Ifølge fysikernes teorier finnes det tolv ulike materiepartikler delt opp i tre familier. I tillegg kommer fire kraftpartikler som sørger for vekselvirkninger mellom materiepartiklene, samt higgspartiklen, som gir de ulike partiklene masse. Alle partiklene i den såkalte standardmodellen har en antipartikkel.
Men nøytrinoene skaper problemer for fysikerne, for de passer ikke egentlig inn i standardmodellen. Den sier nemlig at nøytrinoer ikke har masse, men det har vist seg å være feil. Ikke bare har de en masse som bare er forsvinnende liten, de kan også forvandle seg fra én type nøytrino til en annen. Det trikset kan bare nøytrinoer utføre.
Av en eller annen grunn endte universet med mer materie enn antimaterie. Ved å sammenligne mengden stråling med mengden av materie i universet har forskerne regnet seg fram til at den kosmiske smeltedigelen må ha skapt 3 000 000 001 stoffpartikler for hver gang den skapte 3 000 000 000 antimateriepartikler.
Dette lille overskuddet av materie sammenlignet med antimaterie utgjorde den helt avgjørende forskjellen. Men for fysikerne er det store spørsmålet hvordan symmetrien ble brutt.
Her kan de to nye nøytrinodetektorene gi avgjørende ny kunnskap. Fysikerne tror nemlig at nøytrinoer spilte en avgjørende rolle for å gi materien en fordel – for de spøkelsesaktige partiklene har vist seg å ha en overraskende evne.
Partikkel forvandler seg
Nøytrinoer finnes i tre ulike varianter: elektron-nøytrino, myon-nøytrino og tau-nøytrino. Men nøytrinoer har et spesielt triks på lager: De kan også forvandle seg fra den ene typen til den andre mens de er på farten.
Det fant fysikere ut omkring årtusenskiftet – en oppdagelse som ga japaneren Takaaki Kajita og kanadieren Arthur B. McDonald nobelprisen i fysikk i 2015.
Nøytrinoer er naturens ørsmå tryllekunstnere, så selv om en supernova for eksempel sender ut en elektronnøytrino, kan det ha blitt til en myonnøytrino eller en tau-nøytrino før det dukker opp i detektoren.
Nøytrinoer sparker elektroner ut av flytende edelgass
1. Partikkelakselerator skyter av sted nøytrinoer
Fermilab-partikkelakseleratoren dundrer protoner inn i et mål av grafitt i høy fart. Resultatet er en byge av nye partikler som blant annet henfaller til nøytrinoer. Hvert sekund sendes billioner av myon-nøytrinoer eller antimyon-nøytrinoer i retning av DUNE-detektoren.
2. Nøytrinoene forvandler seg
Underveis fra Fermilab til DUNE-detektoren passerer nøytrinoene gjennom 1300 kilometer av jordskorpen. Turen tar bare fire tusendeler av et sekund, men det gir nøytrinoene tid nok til å forvandle seg. En stor del av dem vil ha blitt til elektron- eller tau-nøytrinoer når de ankommer.
3. Argon fungerer som nøytrinofelle
Detektoren består av fire kryostater, en slags kraftige dypfrysere på størrelse med fireetasjers bygninger. Hver av dem er fylt med 17 000 tonn flytende argon. Hver gang en nøytrino treffer kjernen til et argonatom, danner sammenstøtet partikler med elektrisk ladning som river løs elektroner fra andre atomer.
4. Elektroner søker mot positive elektroder
En spenningsforskjell får de elektronene til å søke mot kryostatens positive elektroder. Antall og retning avslører hvilken type nøytrino det var snakk om. Hvis fysikerne måler flere nøytrinoer enn antinøytrinoer, er de på vei til å forstå hvorfor materien i det hele tatt eksisterer.
Som alle andre partikler har nøytrinoene tilhørende antipartikler, og de utfører samme forvandlingsnummer. Men fysikerne har en mistanke om at nøytrinoer og antinøytrinoer kanskje ikke forvandler seg i helt samme takt.
Hvis de nye nøytrinoeksperimentene avslører at antinøytrinoer ikke bare er speilbilder av nøytrinoer, men oppfører seg litt annerledes, kan det kanskje forklare universets overskudd av materie.
Asymmetri mellom nøytrinoer og antinøytrinoer vil nemlig bekrefte en teori om at materiens seier over antimaterien skyldtes nedbrytingen av noen ekstremt tunge, nøytrinolignende partikler i det veldig tidlige universet.
De tunge partiklene eksisterer ikke lenger, men ifølge teorien etterlot de det overskuddet av materie i stedet for antimaterie som vi kan finne i universet i dag. Gjennom nøytrinoene kan universet vårt vise seg å ha en forkjærlighet for materie innebygget i naturlovene.
Nøytrinoer fanges i kjempefrysere
Se hvordan DUNE-detektoren skal fange nøytrinoer i underjordiske kjempefrysere og løse gåten om hvorfor materie vant over antimaterie.
Nøytrinoer suser gjennom deg
Prinsippet bak nøytrinoforsøkene er enkle. Det krever bare at forskere tar et antall nøytrinoer og et antall antinøytrinoer av en bestemt type, sender dem av sted og måler om de forvandler seg i samme takt når de beveger seg fra ett sted til et annet.
I praksis er det imidlertid ikke det spor enkelt å eksperimentere med nøytrinoer. De er ustyrlige og spøkelsesaktige partikler som bare i uhyre sjeldne tilfeller påvirker noe som helst.
Faktisk passerer billioner av nøytrinoer tvers gjennom oss hvert eneste sekund, uten at vi legger merke til det.
Fordi de er ekstremt lette – en nøytrino veier mindre enn en milliondel av et elektron – og ikke har noen elektrisk ladning, er det helt umulig å oppdage nøytrinoer direkte.
I stedet må fysikerne se etter de sporene en nøytrino etterlater når den en sjelden gang kolliderer med en kjernepartikkel i et vanlig atom.
Vann og argon er skyteskiven
Sammenstøtet mellom nøytrinoen og atomkjernen kan resultere i en partikkel som fysikerne har bedre kjennskap til – for eksempel et elektron – som er lett å følge. I Hyper-Kamiokande skjer det ved å fange opp lyset elektronet sender ut når det farer gjennom vannet, mens DUNE registrerer elektronene ved hjelp av elektroder. Ved å måle elektronenes fart og retning kan forskerne få kunnskap om nøytrinoens egenskaper.
Fordi nøytrinoer vekselvirke med atomer så uhyre sjelden, gjelder det å samle og overvåke ekstremt mange atomer av gangen. Derfor er nøytrinodetektorene så enorme. 258 000 tonn vann i Hyper-Kamiokande og 68 000 tonnene argon i DUNE fungerer som enorme skyteskiver som øker sjansene for at en nøytrino kolliderer med en atomkjerne.
Edelgass gjøres flytende
Normalt er grunnstoffet argon en gass som utgjør en prosent av jordens atmosfære, men i DUNE-detektoren nedkjøles den til minus 184 grader celsius – omtrent som temperaturen på Saturn – og ved så lave temperaturer blir argon flytende.
Fysikerne har valgt argon fordi det i flytende form er 40 prosent tettere enn vann og utgjør et godt mål for nøytrinoene. Dessuten er det relativt billig, nettopp fordi det kan utvinnes av luften.
Fysikerne bak de to eksperimentene vil selv skape en del av de nøytrinoene som skal fanges. Ved hjelp av partikkelakseleratorer vil de sende billioner og atter billioner av enten myon-nøytrinoer eller antimyon-nøytrinoer mot detektorene.
På veien vil en del av dem forvandle seg til elektron-nøytrinoer, og det avgjørende spørsmålet er hvor mange elektron-nøytrinoer detektoren fanger opp sammenlignet med antielektron-nøytrinoer.
Forsøk viser overvekt av materie
Hvis det dukker opp omtrent like mange nøytrinoer og antinøytrinoer, må fysikerne tilbake til tegnebrettet, for da er det ingen forskjell på nøytrinoer og antinøytrinoer, og forskerne må finne en annen forklaring på hvorfor det finnes materie i universet.
Men hvis forsøkene derimot viser en betydelig forskjell på takt nøytrinoer og antinøytrinoer forvandler seg i, vil det være et avgjørende gjennombrudd, for da er fysikerne mye nærmere å kunne forklare hvorfor universet ser ut som det gjør.
Nye resultater fra detektoren Super-Kamiokande – en mindre versjon av Hyper-Kamiokande som inneholder 50 millioner liter vann – har vist seg å være lovende. I april 2020 kunne forskergruppen rapportere at detektoren etter ti år har fanget spor etter 90 elektronnøytrinoer og bare 15 antielektronnøytrinoer.
Hyper-Kamiokande kommer til å ligne den nåværende Super-Kamiokande (bildet), men blir fem ganger så stor.
Umiddelbart ser tallene overbevisende ut, men fordi de er så små, er ikke resultatet statistisk signifikant. Med andre ord kan det godt ha passert like mange nøytrinoer og antinøytrinoer gjennom vanntanken, selv om forskerne målte en forskjell på antallet nøytrinoer og antinøytrinoer.
Fysikerne trenger derfor flere og mer overbevisende resultater før de tør si at nøytrinoer oppfører seg annerledes enn antinøytrinoer.
Fysikerne går under jorden
De to nye gigantdetektorene i Japan og USA skal etter planen stå klare til å fange opp nøytrinoer i henholdsvis 2027 og 2028. Samtidig oppgraderes de partikkelakseleratorene som skal fôre detektorene med nøytrinoer.
I Japan leveres de kunstig skapte nøytrinoene av J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), som ligger 295 kilometer fra Hyper-Kamiokande.
I USA kommer nøytrinostrålen fra Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois hele 1300 kilometer fra DUNE. Nøytrinoene skal tilbakelegge lange distanser gjennom jordskorpen for å få tid til å forvandle seg underveis.
Fire dypfrysere på størrelse med fireetasjes hus kjøler ned edelgassen argon i DUNE.
Detektorene anlegges dypt under bakken for å skjerme mot kosmisk stråling. Partikler fra verdensrommet kan skape noen av de samme reaksjonene som nøytrinoene, så hvis detektorene ble plassert ved jordoverflaten, ville de fange opp masse falske signaler.
Derfor bygges DUNE i forbindelse med en gammel gruvesjakt halvannen kilometer under jordoverflaten, mens Hyper-Kamiokande får 650 meter fjell over seg.
Konstruksjonen av de to store, underjordiske anleggene er ekstremt krevende. Bare arbeidet med å bore adgangstunneler og grave ut den 340 000 kubikkmeter store grotten til Hyper-Kamiokande, tar fire år.
Deretter går det to og et halvt år med å bygge selve tanken med det tilhørende måleutstyret, og til slutt vil det ta et halvt år å fylle vanntanken med lokalt kildevann. Vannet må dessuten gjennom et rensesystem fordi det må være helt klart for at lysglimtene fra sammenstøt mellom nøytrinoer og atomer kan trenge gjennom og fanges opp av lysdetektorene på tankens overflater.
Enorm vanntank fanger partikler
Reis med nøytrinoene gjennom Hyper-Kamiokandes gigantiske vanntank og se hvordan detektoren fanger opp de flyktige partiklene.
I USA har det tatt fem år å renovere den 90 år gamle gruvesjakten og blant annet installere en ny heis, men nå er arbeidet med å grave ut grottesystemet til detektoren i full gang.
870 000 tonn stein må hentes opp gjennom sjakten før forsøksutstyret kan sendes den andre veien ned i dypet.
Fire avanserte dypfrysere, såkalte kryostater – hver på størrelse med en fireetasjes boligblokk – skal deretter oppføres og fylles med edelgassen argon, som kjøles ned til minus 184 grader, slik at den blir flytende.
870 000 tonn stein må graves utenfor å gjøre plass til DUNE-detektoren i en nedlagt gruve.
Når forsøkene på Hyper-Kamiokande og DUNE er i gang om sju–åtte år, må forskerne smøre seg med enda mer tålmodighet. Det kommer sannsynligvis til å gå ytterligere et tiår eller mer før detektorene har samlet inn data nok til å avgjøre om nøytrinoer er forklaringen på at materie har vunnet over antimaterie.
Hvis det lykkes, vil vi endelig få svaret på hvorfor det finnes noe i stedet for ingenting.