Our website does not support Internet Explorer.

To get the best experience on our website and of our content, please use a more modern browser like Edge, Chrome, Safari or similar.

Verdens langsomste måling skal avsløre universets fødsel

Big bang skapte like mye materie og antimaterie, som burde ha utslettet hverandre. Likevel ble universet skapt. Nå skal en fem år lang måling lete etter et uhyre sjeldent fenomen som kan avsløre hvordan det gikk til.

Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Først var det ingenting, og så oppsto plutselig alt: dimensjoner, tid, naturlover og den materien som senere ble til stjerner, planeter og liv.

Slik lyder universets skapelsesberetning ifølge big bang-teorien. Men flere forhold omkring universets fødsel er fortsatt innhyllet av mystikk.

Et av de største ubesvarte spørsmålene er hvorfor det i det hele tatt eksisterer materie. Ifølge fysikernes modeller var big bang symmetrisk, noe som vil si at det ble dannet like mye vanlig materie og antimaterie.

Når materie og antimaterie møtes, utsletter de hverandre og forvandles til stråling. Derfor burde big bang ha endt med at det nye universet ble fylt med stråling – og ingenting annet.

Men slik gikk det som kjent ikke. I stedet ble universet fylt med alle de bestanddelene som skal til for å bygge de partiklene vi kjenner i dag.

Nå kan en gruppe fysikere kanskje finne svaret på hvorfor det ble slik. Under fjellet Gran Sasso i Appenninene midt i Italia har de bygget en detektor de kaller Cuore, som skal undersøke den eneste partikkelen som kanskje fortsatt bærer på hemmeligheten om hvorfor big bang ikke endte som en blindgjenger: nøytrinoet.

Verdens kaldeste detektor skal avsløre sjeldent henfall

1 / 4
1234

Forskerne leter etter en spesiell form for henfall uten nøytrinoer. Derfor har de bygget en detektor i universets kaldeste kubikkmeter. Den kan finne ett henfall i året – hvis de er heldige. Og hvis det i det hele tatt forekommer i naturen.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Partikkel funnet som kriseløsning

Nøytrinoets eksistens ble første gang forutsagt i 1930 av fysikeren Wolfgang Pauli. Han fant på den lille partikkelen i desperasjon over ikke å kunne få regnestykket over energien ved såkalt betahenfall til å gå opp.

Han visste at når et radioaktivt stoff gjennomgår betahenfall, gjøres et nøytron i atomkjernen om til et proton, som forblir i kjernen, samt et elektron, som sendes ut.

Men Paulis eksperimenter viste at elektronet hadde mindre energi enn det masseforskjellen mellom nøytronet og protonet skulle tilsi.

Han innførte derfor en ny partikkel som kunne bære den manglende energien – nøytrinoet var født.

Wolfgang Pauli kunne imidlertid ikke bevise den nye teorien. Først i 1956 klarte de to amerikanske fysikerne Frederick Reines og Clyde Cowan å påvise at nøytrinoer faktisk finnes.

Forskerne utførte forsøket like ved en atomreaktor som de visste burde sende ut enorme mengder av de små partiklene. Her lette de etter to gammastråler som blir sendt ut når et nøytrino kolliderer med et proton.

Sammenstøtet skaper et nøytron og et positron, som øyeblikkelig destrueres og gjøres om til stråling fordi den er antipartikkelen til elektroner.

Detektor leter etter ett bestemt henfall

Forskere vil bruke detektoren Cuore til å avsløre en helt spesiell form for radioaktiv nedbryting – såkalt nøytrinoløst dobbeltbetahenfall. Hvis det oppstår, er det beviset for at nøytrinoet er sin egen antipartikkel.

Og hvis den lille partikkelen det det, har forskerne samtidig forklart hvorfor universet er fylt med materie og ikke bare stråling fra materie og antimaterie som destruerer hverandre. Hvis nøytrinoet er sin egen antipartikkel, kan andre partikler nemlig også være det, for eksempel de tunge og energirike partiklene som oppsto i det tidlige universet. I så fall kunne partiklene henfalle til mer materie enn antimaterie.

  • Vanlig betahenfall

    Et nøytron i kjernen til et atom henfaller til et proton, et elektron og et nøytrino. Dermed endrer det radioaktive stoffet seg til et nytt grunnstoff
    som inneholder et proton mer og et nøytron mindre.

  • Dobbeltbetahenfall

    To nøytroner henfaller til to protoner, to elektroner og to nøytrinoer. Bare noen få isotoper – blant annet tellurisotopen 130Te – er dobbeltbetaradioaktive. De er imidlertid veldig lite radioaktive, og henfall er sjeldent.

  • Nøytrinoløst dobbeltbetahenfall

    To nøytroner henfaller samtidig til to elektroner og to protoner. De to nøytrinoene som normalt oppstår, opphever hverandre. Henfallet kan bare skje hvis nøytrinoet er sin egen antipartikkel.

Nøytrinoer holder seg for seg selv

Siden forsøket til Frederick Reines og Clyde Cowan er det forsket mye på nøytrinoer, men det er ikke enkelt, for det er vanskelig å observere dem.

Selv om forskernes måleutstyr ved atomreaktoren ble truffet av 50 billioner nøytrinoer per kvadratcentimeter hvert sekund, skjedde en kollisjon mellom et nøytrino og et nøytron bare tre ganger i timen.

Det skyldes at partiklene bare vekselvirker med andre partikler gjennom tyngdekraften, som er forsvinnende liten, og den svake kjernekraften.

Den svake kjernekraften avtar så raskt med avstanden at den nærmest bare er interessant inne i en atomkjerne og i de aller nærmeste omgivelsene.

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italia har forskere bygget detektoren Cuore, som skal utføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

Det innebærer at sannsynligheten for at et nøytrino påvirker en annen partikkel, er forsvinnende liten.

For eksempel passerer stort sett alle de nøytrinoene som sola hele tiden sender ut – omkring 1038 nøytrinoer per sekund – helt uhindret gjennom jorda med en enorm fart, og titusener av dem passerer hvert sekund gjennom kroppen din uten at du legger merke til det. Derfor kalles nøytrinoet også spøkelsespartikkelen.

Forskerne vet imidlertid at nøytrinoer er blant de partiklene det er aller mest av i universet. De har ingen ladning og finnes i minimum tre ulike utgaver. Minst én av dem har masse, som imidlertid er flere millioner ganger mindre enn massen til elektronet.

10^24 er i gjennomsnitt det antallet år som går før et atom av isotopen 130Te henfaller.

Dobbeltrolle kan løse gåten

Fysikerne snakker også om at det må finnes både nøytrinoer og antinøytrinoer – to ulike partikler. Alle de partiklene fysikerne kjenner til i dag, har en egen antipartikkel som er observert – bortsett fra nøytrinoet.

Derfor har fysikerne nå en mistanke om at nøytrinoet kanskje kan være sin egen antipartikkel – og hvis den er det, kan den lille partikkelen løse mysteriet om hvordan et univers av materie kunne bli født ved big bang.

Forskernes teori er at såkalte hermafrodittpartikler, som er partikkel og antipartikkel i ett, ble skapt rett etter big bang. På grunn av dobbeltheten kunne de henfalle til mye mer materie enn antimaterie og dermed skape universet.

I dag vil slike partikler for lengst ha forsvunnet – de kunne bare eksistere da universet var ungt og svært energirikt. Men hvis nøytrinoet viser seg å være sin egen antipartikkel, vet forskerne at det er mulig å være begge deler.

Null nøytrinoer er nøkkelen

Detektoren Cuore skal nettopp forsøke å avsløre nøytrinoets dobbeltrolle som sin egen antipartikkel. Cuore står for «Cryogenic Underground Observatory for Rare Events» altså «underjordisk lavtemperaturobservatorium for sjeldne hendelser».

I Gran Sasso National-laboratoriet i Italia har forskere bygget detektoren Cuore, som skal utføre verdens langsomste måling.

© Y. Suvorov/cuore.lngs.infn.it

De sjeldne hendelsene er en spesiell type henfall av den radioaktive isotopen av grunnstoffet tellur som heter 130Te. I høye konsentrasjoner er dette stoffet betaradioaktivt, men ikke på samme måte som det betahenfallet Wolfgang Pauli i sin tid undersøkte.

I stedet for at et nøytron henfaller til et proton, et elektron og et nøytrino, henfaller to nøytroner i 130Te samtidig til to protoner, to elektroner og to nøytrinoer ved såkalt dobbeltbetahenfall.

Hvis nøytrinoet er sin egen antipartikkel, vil det iblant forekomme et helt spesielt nøytrinoløst dobbeltbetahenfall, der de to nøytrinoene nøytraliserer hverandre i det øyeblikket de oppstår.

Dermed må de elektronene som sendes ut ved henfallet, bære all den energien som svarer til masseforskjellen mellom de to nøytronene og de to protonene.

Varme avslører henfall

  • Enslige elektroner sendes av sted

    1. Et nøytrinoløst henfall sender ut to elektroner med en høyere energi enn hvis det også var dannet to nøytrinoer.
  • Energi varmer opp terninger

    1. Energien fra de to elektronene blir tatt opp av en tellurterning og gjort om til varme, som registreres.
  • Økt temperatur gir utslag

    1. Hvis varmen svarer til nøyaktig 2527,5 keV, har elektronene båret all energi – og nøytrinoet er sin egen antipartikkel.

Og det er akkurat den energien Cuore ser etter.

I første omgang kjørte Cuore i to måneder i 2017 for å fastslå halveringstiden for 130Te, slik at forskerne vet hvor mange nøytrinoløse henfall de kan forvente fra mengden i detektoren.

Resultatet viser at de høyst kan finne ett i året eller fem på de fem årene eksperimentet er i gang, noe som gjør eksperimentet til verdens langsomste forsøk.

Men det er verdt å vente på, for hvis Cuore klarer å fange det sjeldne henfallet, har eksperimentet avslørt hvordan hele universet kunne bli til.

Les også:

Teleskop på sørpolen
Big Bang

Big bang: Forskere fanger opp ekkoet fra big bang

2 minutter
Christer Fuglesang
Fysikk

7 spørsmål til partikkelfysikeren Christer Fuglesang

3 minutter
Where did big bang happen
Big Bang

Hvor i universet skjedde big bang?

1 minutt

Logg inn

Ugyldig e-postadresse
Passord er påkrevd
Vis Skjul

Allerede abonnement? Har du allerede et abonnement på magasinet? Klikk her

Ny bruker? Få adgang nå!

Nullstill passord

Skriv inn e-postadressen din, så sender vi deg en e-post som forklarer deg hvordan du skal nullstille passordet ditt.
Ugyldig e-postadresse

Sjekk e-posten din

Vi har sendt en e-post til som forklarer deg hvordan du skal nullstille passordet ditt. Hvis du ikke finner e-posten, bør du se i søppelposten (uønsket e-post, «spam»).

Oppgi nytt passord.

Skriv inn det nye passordet ditt. Passordet må ha minst 6 tegn. Når du har opprettet passordet ditt, vil du bli bedt om å logge deg inn.

Passord er påkrevd
Vis Skjul