Overraskede fysikere: Neutrinoer og antineutrinoer har forskellig masse
Et stort amerikansk fysikeksperiment antyder eksistensen af en ukendt kraft eller et brud på den specielle relativitetsteori. Flere målinger er dog nødvendige, før forskerne kan udtale sig med sikkerhed.
Den røde prik viser måleresultat for masseforskel for forskelige typer af antineutrinoer. Den blå prik viser måleresultatet for neutrinoer. I henhold til de gængse teorier burde den røde og blå prik give samme masseforskel. (Ill.. Fermilab)
Læs også
-
Der var en, der var to, der var tre neutrinoer - og måske er der flere endnu?
Læs mere om
Dokumentation
Findes der en ukendt kraft i Naturen, eller skal Einsteins specielle relativitetsteori have en finjustering?
Det spekulerer forskere som Rabindra Mohapatra fra University of Maryland på, efter forskere ved MINOS-eksperimentet ved Fermilab nær Chicago har fundet tegn på, at antineutrinoer har anden masse end neutrinoer.
Målingen rokker ved en af de helt fundamentale grundregler inden for fysikken, men det kan muligvis også være med til at forklare, hvorfor Universet tilsyneladende kun indeholder stof, når der ved Big Bang blev dannet lige meget stof og anti-stof.
Neutrinoer kan skifte type og har derfor masse
Neutrinoer er blandt de letteste partikler, der findes i Universet.
I mange år havde man en formodning om, at de var masseløse partikler som eksempelvis fotoner, men i 1998 kunne japanske forskere ved Super-Kamiokande eksperimentet offentliggøre, at neutrinoer kan skifte type fra en elektron-neutrino til en myon-neutrino. Det betød, at neutrinoerne måtte have masse.
Udover elektron-neutrinoen og myon-neutrinoen findes også en tau-neutrino. De er, som deres navn antyder, knyttet til tre forskellige familier inden for partikelfysikken, som hver i sær omfatter elektronen og dens to tungere ’storebrødre’ myonen og tau-partiklen.
Fysikerne har ikke et særligt præcist bud på neutrinoernes masse – udover at den som nævnt er større end nul og mindre end en million gange end masse for en elektron.
Spekulativt kan der også tænkes en eller flere såkaldte sterile neutrinoer - som tidligere omtalt i Ingeniøren er det et aktivt forskningsområde at fastslå eller afkræfte eksistensen af sterile neutrinoer. Nogle eksperimenter og observationer tyder på deres eksistens – andre tyder på det modsatte.
95 procent sandsynlighed er ikke et bevis
Enhver partikel har også en anti-partikel – elektronens antipartikel er eksempelvis positronen.
Ifølge en af fysikkens grundregler, det såkaldte CPT-teorem, så har en antipartikel samme masse som den tilhørende partikel. Eksperimentet ved MINOS tyder nu med 95 pct. sikkerhed på, at massen for neutrinoer og anti-neutrinoer er forskellig, og CPT-symmetrien dermed er brudt.
I mange hverdagssituationer vil man være tilfredse med en sandsynlighed på 95 procent, men det er fysikerne ikke – for eksperimentet giver jo stadig en reel mulighed for, at massen af neutrinoer og antineutrinoer er ens.
Da forskerne fra MINOS-eksperimentet offentliggjorde deres resultater på en konference i Athen for to uger siden, nøjedes de da også med at forklare, at deres eksperimenter ’antyder’ en forskel i egenskaberne for neutrinoer og antineutrinoer.
Eksperimentet
Eksperimentet består i, at myon-neutrinoer (eller anti-myon-neutrinoer) dannes ved Fermilab i nærheden af Chicago.
De vekselvirker stort set ikke med andre partikler og kan derfor uden problemer sendes 735 kilometer gennem jorden til en detektor i Soudan i Minnesota. Turen tager ca. 2½ millisekund.
På grund af deres masse, vil myonneutrinoerne undervejs oscillere mellem de tre forskellige typer. Det giver anledning til, at man kan måle kvadratet på masseforskellen mellem de forskellige neutrinotyper – den absolutte masseforskel kan ikke bestemmes ved dette eksperiment.
Eksperimentet viser, at masseforskellen (kaldet delta m squared) er 40 procent mindre for neutrinoer end for antineutrinoer.
Jenny Thomas, der er talsperson for projektet, forklarer, at denne forskel ikke kan forklares ud fra de nuværende teorier.
»Skønt neutrinoer og antineutrinoer opfører sig forskelligt på deres tur gennem Jorden, forudsiger Standardmodellen, at effekten ikke er målbar i MINOS-eksperimentet.«
Der er dog stadig en sandsynlighed på 5 procent for, at målingen er en tilfældig variation. Derfor planlægger de 140 forskere fra fem lande, der indgår i MINOS-projektet, nu nye målinger.
Hvis det senere viser sig, at massen er forskellig, og CPT-symmetrien er brudt, så er Einsteins specielle relativitetsteori også brudt, siger Tom Weiler fra Vanderbilt University i Nashville, USA. Men mindre man, som Ann Nelson fra University of Washington i Seattle foreslår, finder en ny kraft, og samtidig indfører en ny slags ladning, så den nye kraft vekselvirker anderledes med neutrinoer end antineutrinoer.
