Den længe jagtede sterile neutrino kan ikke spores – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

Niels Bohr Institutet > Nyheder > Nyheder 2016 > Den længe jagtede ster...

08. august 2016

Den længe jagtede sterile neutrino kan ikke spores

Spøgelsespartikler:

En af de mest talrige partikler i universet er de såkaldte spøgelsespartikler, neutrinoer, som farer igennem stort set alt på deres færd gennem universet. Forskerne har identificeret tre typer neutrinoer, men de har søgt efter én type mere, en endnu mere spøgelsesagtig steril neutrino, som ville kunne forklare gådefulde fænomener som f.eks. mørkt stof. Efter analyser af mange tusinder neutrinoer i IceCube Neutrino Observatory på Sydpolen kan forskerne fra blandt andet Niels Bohr Institutet nu slå fast, at der ikke findes bevis for, at der eksisterer sterile neutrinoer. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift, Physical Review Letters.

Morten Medici, ph.d.-studerende på Niels Bohr Institutet ses foran IceCube på Sydpolen, hvor temperaturen kan nå ned på minus 70 grader C og nogle af Jordens kraftigste vinde fyger. IceCube Neutrino Observatory består af 5160 af lys-sensorer, som er frosset inde to kilometer nede i isen - i mørket langt fra overfladen. Her måler de det svage lys fra de spøgelsesagtige neutrinoer. Signalerne fra alle sensorerne samles i en enkelt bygning, hvorfra data behandles og sendes via satellit til forskere over hele verden. (Credit: Morten Medici)

Neutrinoer er en type partikler, som kaldes for ’spøgelsespartikler’, fordi de stort set ikke vekselvirker med stoffer, men passerer uforstyrret igennem alt på deres vej gennem universet. Neutrinoer er meget lette partikler, og i mange år troede man, at de var helt masseløse, men man mener nu, at de har hver deres bestemte masse, som dog er uhyre lille - under en milliontedel af elektronens masse.

Omskiftelige neutrinoer

Når partikler (protoner) med høj energi – fra voldsomme begivenheder i kosmos f.eks. supernovaer, som er eksploderende stjerner og kvasarer, som er aktive sorte huller - rammer Jordens atmosfære, dannes der en byge af partikler, blandt andet neutrinoer. Partiklerne vekselvirker med stof og stoppes af Jordens stoffer, mens neutrinoerne ikke vekselvirker og derfor farer lige gennem Jorden.

De neutrinoer, der bliver skabt, når partikler med høj energi rammer Jordens atmosfære, består af to typer: Myon- og elektron-neutrinoer. Men neutrinoer ændrer sig hele tiden fra én type til en anden. Når de farer gennem Jordens 13.000 km gennemgår de kvantemekaniske svingninger og ændrer sig undervejs til tre typer: myon-, elektron- og tau-neutrinoer.

IceCube resultatet udelukker en steril neutrino med bestemte værdier for masseforskellen fra (Δm^2) og oscillation til de kendte neutrinoer (θ_{24}) til højre for den røde linje. IceCube resultatet udelukker det område, som i andre eksperimenter har vist hints af en steril neutrino (angivet med det blå område på figuren).
(Credit: IceCube Collaboration)

Men forskerne leder efter en fjerde type neutrino, en steril neutrino. I eksperimenter rundt om i verden har der været antydning af en sådan fjerde type neutrino. En steril neutrino kan have andre egenskaber og blandt andet vekselvirker kun ved hjælp af tyngdekraft.

“En eller flere typer sterile neutrinoer vil kunne hjælpe med at løse en række mysterier som f.eks. hvorfor der er mere stof end antistof i universet. En steril neutrino vil kunne give en forklaring på denne ubalance, som ikke i øjeblikket kan forklares med de tre kendte neutrinoer. En steril neutrino med tyngdekraft vil desuden kunne kaste lys på det gådefulde mørke stof”, fortæller Jason Koskinen, lektor på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet

Registrerer neutrinoer

De neutrinoer, der dannes over Nordpolen farer lige igennem Jorden, og en ganske lille del af dem rammer isen på Sydpolen, hvor sammenstødene registreres i IceCube detektoren, som består af 5.160 lys-sensorer, der er indefrosset dybt nede i Antarktis’s krystalklare is.

”Vi har analyseret hundreder af tusinder af neutrinoer, som efter at have passeret gennem Jorden fra den nordlige halvkugle har ramt isen på Sydpolen, hvor sammenstødene er blevet registreret i IceCube detektoren. Vi kender tre neutrino-typer, og vores internationale team af forskere har ledt efter signaler fra en fjerde neutrino-type, de såkaldte sterile neutrinoer. I årevis har der hersket et globalt mysterium om eksistensen af en steril neutrino med en masse omkring 1 eV. Hvis den fandtes ville den producere et tydeligt signal i et bestemt energi-interval, men vi har ikke set et eneste signal, der kunne komme fra en sådan steril neutrino”, fortæller Jason Koskinen, lektor og gruppeleder i IceCube forskningsgruppen på Niels Bohr Institutet og ansvarlig leder af forskningen af neutrino-svingninger i IceCubes internationale forskerhold.

Et billede af IceCube Neutrino Observatory ved Sydpolen, hvor et plot af neutrino-transformationer er lagt henover. Hvis den foreslåede fjerde neutrino eksisterede, ville man kunne se et signal, der svarer til det røde område i venstre side. Dette signal viste sig dog ikke i analysen fra IceCube, og eksistensen af denne type af steril neutrino er dermed udelukket. (Credit: IceCube Collaboration)

Teorien har været, at denne bestemte sterile neutrino med en masse omkring 1 eV også skulle kunne dannes undervejs ved de kvantemekaniske svingninger, som hele tiden får neutrinoerne til at ændre sig mellem at være myon-, elektron- og tau-neutrinoer. Hvis der var en sådan fjerde mulighed for omdannelse, skulle det kunne påvises i IceCube detektoren - også selvom de ikke direkte kunne registreres.

Jason Koskinen forklarer, at når de ikke kan påvise muligheden for de sterile neutrinoer sker det ved en udelukkelsesmetode. De ved fra målinger på den nordlige halvkugle, hvor mange neutrinoer, der dannes i atmosfæren. På den sydlige halvkugle, i IceCube detektoren kan de registrere neutrinoerne, når de har passeret gennem Jorden.

”Vi kan registrere mængden af myon- elektron- og tau-neutrinoer, og der ’mangler’ simpelthen ikke nogen i regnestykket, så derfor er konklusionen, at med IceCube-resultaterne kan vi udelukke muligheden for, at denne bestemte fjerde neutrino findes. Men det udelukker ikke muligheden for andre typer sterile neutrinoer i univereset ”, siger Jason Koskinen.

Jason Koskinen, lektor i IceCube forskningsgruppen på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 2128-9061, koskinen@nbi.ku.dk

Morten Medici, ph.d.-stud. i IceCube forskningsgruppen på Niels Bohr Institutet, Københavns Universitet, +45 3532-5454, mobil: +45 6151-6454, mmedici@nbi.ku.dk