Neutrino

Neutrinon är en elementarpartikel, som tillhör familjen leptoner och saknar elektrisk laddning. Den har halvtaligt spinn ( ${\begin{matrix}{\frac {1}{2}}\hbar \end{matrix}}$ ) och är därför även en fermion. Neutrinon är universums mest förekommande partikel. Neutrinon påvisades experimentellt 1956, vilket senare gav de amerikanska fysikerna Martin L. Perl och Frederick Reines nobelpriset i fysik 1995.

Historik

Neutrinon förutsades teoretiskt 1931 av Wolfgang Pauli som en hypotetisk partikel, som måste skapas i betasönderfall för att bevara energi och rörelsemängd. Neutrinon påvisades experimentellt 1956, vilket senare gav de amerikanska fysikerna Martin L. Perl och Frederick Reines nobelpriset i fysik 1995. Namnet neutrino föreslogs av Edoardo Amaldi i samtal med Enrico Fermi som ett skämtsamt diminutiv av det italienska ordet neutrone - och betyder alltså ungefär "lill-neutron".

Förekomst och ursprung

Neutriner förekommer till exempel i neutrinostrålningen från kärnreaktionerna i solen och i kosmisk strålning. De skapas också i vanligt betasönderfall, där en neutron sönderfaller till en proton, en elektron och en antielektronneutrino. Energin hos dessa neutriner varierar från källor som bakgrundsstrålningens på 100 μeV, solens runt 100 keV, naturligt radioaktiva sönderfalls på 1 MeV, supernovors och kärnreaktorers runt 10 MeV, till kosmisk strålnings i atmosfären och aktiva galaxkärnors och supernovaresters uppåt TeV – PeV.

Skapelserelikt

Man antar att, likt kosmisk bakgrundsstrålning av fotoner, det borde finnas en bakgrund av lågenergineutriner i vårt universum. Under 1980-talet föreslogs att dessa kan vara en förklaring till mörk materia, som förefaller finnas i kosmos. Eftersom de rör sig med hastigheter i närheten av ljushastigheten, skulle de utgöra den del som kallas ”het mörk materia”. Det skulle försvåra deras tänkta roll att kunna skapa stora galaktiska strukturer i universum. Utifrån kosmologiska argument beräknas reliktbakgrunden av neutriner plus antineutriner ha en densitet av varje typ på 113 per kubikcentimeter och temperaturen 1,95 K (1,7 × 10-4 eV), om de ses som masslösa och konstant relativistiska. Med vilomassor skilda från noll är en beskrivning i termer av temperatur mindre lyckad.^[1]

**Neutriner i standardmodellen**
Fermion	Symbol	Massa
Generation 1 (elektron)
Elektronneutrino	$\nu _{e}\,$	< 2.5 eV
Elektronantineutrino	${\bar {\nu }}_{e}\,$	< 2.5 eV
Generation 2 (myon)
Myonneutrino	$\nu _{\mu }\,$	< 190 keV
Myon-antineutrino	${\bar {\nu }}_{\mu }\,$	< 190 keV
Generation 3 (tau)
Tauon-neutrino	$\nu _{\tau }\,$	< 18,2 MeV
Tauon-antineutrino	${\bar {\nu }}_{\tau }\,$	< 18,2 MeV

Aromer

Det finns tre kända typer, aromer, av neutriner, en för varje leptonfamilj i standardmodellen (se tabellen): elektronneutrinon ν_e, myonneutrinon ν_μ och tauneutrinon ν_τ.

Massa

Huvudartikel: Neutrinooscillationer

Tidigare trodde man att neutrinerna var masslösa på samma sätt som fotonen och rörde sig med ljusets hastighet. Genom upptäckten av neutrinooscillationer mellan aromerna vet man dock nu att de har en visserligen mycket liten massa, men som inte kan vara noll. Nobelpriset i fysik 2015 tilldelades Takaaki Kajita och Arthur B. McDonald för denna upptäckt. Siffrorna i tabellen är de experimentellt bestämda övre gränserna för dessa massor i eV.

Hastighet

Frågan om neutriners hastighet är nära knuten till deras massa. Enligt relativitetsteorin måste neutriner, om de är masslösa, färdas i ljusets hastighet. Men om de bär en massa, kan de inte uppnå ljusets hastighet.

Flera teoretiker har föreslagit att neutrinon skulle kunna ha en takyon-natur, ^[2]^[3]^[4] medan andra har ifrågasatt möjligheterna. ^[5]

I början av 1980-talet gjordes de första mätningarna av neutriners hastighet med pulsade pimesonstrålar (från pulsade protonstrålar som fått träffa ett mål). Pionerna föll sönder och producerade neutriner, vars interna växelverkan observerades inom ett tidsfönster med en detektor på avstånd som rimmade med ljusets hastighet, "c". Denna mätning har upprepats med MINOS detektorer, som fann hastigheten hos 3 GeV neutriner vara 1,000051(29) c. Medan detta centrala värde är högre än ljusets hastighet, är osäkerheten stor nog för att resultatet inte utesluter subluminal eller luminal hastighet. Denna mätning satte en övre gräns för massan hos myonneutrinon på 50 MeV med 99% konfidensintervall.^[6]

Samma iakttagelse gjordes i något större skala, med supernovan 1987A (SN 1987A). 10-MeV neutriner från supernovan upptäcktes inom ett tidsfönster som var förenligt med en ljushastigheten för neutrinerna. Hittills har frågan om neutrinomassor inte kunnat avgöras genom mätning av neutrinohastigheten. 2007 rapporterade MINOS-samarbetet resultat från uppmätta flygtider för 3-GeV neutriner, som gav en hastighet som överstiger ljusets med 1,8-sigma signifikans.^[7] Emellertid kunde dessa mätningar inte anses annat än statistiskt kosistenta med neutriner som färdas med ljusets hastighet.^[8] Nya resultat som kommit 2012 har visat att hastigheten inte var över ljusets.^[9]

I september 2011 offentliggjorde OPERA-samarbetet CERN-Gran Sasso en rapport med noggranna beräkningar som pekade på att neutriner med energinivån 17-GeV och 28-GeV färdas i hastigheter som överskrider ljushastigheten. ^[10]^[11]^[12] De 175 författarna poängterade, trots sitt stora förtroende för resultaten i experimentet, att det var mycket viktigt att fortsätta undersöka saken och leta efter felkällor i resultatet. Vilka konsekvenser resultatet skulle ge valde författarna till rapporten medvetet att inte resonera kring. ^[10]^[11]

Detta resultat var mycket kontroversiellt och möttes av stor skepsis av forskarvärlden^[13]. Hastigheter snabbare än ljusets strider mot relativitetsteorin och andra experiment utförda med neutriner. Exempelvis har färdtiden för fotoner och neutriner från SN 1987A visats stämma överens till ca 1 del på 450 miljoner, där denna skillnad även inbegriper att ljuset hindrats på sin väg ut ur stjärnan i början av sin resa. Resultatet från OPERA pekade däremot på att neutriner färdas snabbare än ljuset med en faktor 1 på 40.000, dvs att neutrinons hastighet är 1,0000248 (28) c. Om neutriner från SN 1987A hade färdats snabbare än ljuset med denna faktor, skulle de ha kommit till jorden flera år före fotonerna.^[14] Emellertid hade neutrinerna från supernovan flera storleksordningar lägre energi än de neutriner som deltog i OPERAexperimentet.

I mars 2012 utfärdade CERN ett pressmeddelande,^[15] som hänvisar till ICARUS-experimentet vid Gran Sasso,^[16] där man, i motsats till OPERA, inte kunnat påvisa att neutriner kan röra sig snabbare än ljuset. Enligt pressmeddelandet lutade det nu åt att OPERA-mätningen var felaktig, men att det slutliga beskedet skulle lämnas efter nya mätningar i maj 2012. Den 8 juni 2012 förklarade CERN:s forskningschef Sergio Bertolucci på uppdrag av fyra Gran Sasso-team, däribland OPERA, att neutriners hastighet är konsistent med ljusets. Pressmeddelandet, utsänt av den 25:e Internationella konferensen om Neutrinofysik och Astrofysik i Kyoto, sade att de ursprungliga OPERA-resultaten var felaktiga, på grund av att utrustning gått sönder.^[17]

Den 12 juli 2012 uppdaterade OPERA sitt dokument genom att inkludera nya källor till fel i sina beräkningar. De fann att neutrinons hastighet överensstämmer med ljusets hastighet.^[18]

Växelverkan

Eftersom neutrinerna saknar elektrisk laddning, interagerar de endast genom gravitationen och den svaga kärnkraften med övriga partiklar. Denna mycket svaga växelverkan med övrig materia betyder att de nästan obehindrat passerar genom denna och gör neutrinerna svåra att upptäcka och studera. De flesta neutriner som passerar genom jorden kommer från solen. Runt 65 miljarder solneutriner i sekunden passerar genom varje kvadratcentimeter vinkelrät mot riktningen till solen i trakten av jorden.^[19] Man har beräknat att det skulle kräva ett ljusår tjockt block av bly för att stoppa hälften av de neutriner som träffar blocket.

Noter och referenser

^ Donald H. Perkins; Particle Astrophysics^{[död länk]}, 2:a uppl, Oxford University (2009), kap 4.6 Neutrinos. ISBN 0-19-954546-4
^ A. Chodos, A. I. Hauser, and V.A. Kostelecky, The Neutrino As A Tachyon, Phys. Lett. B 150, 431 (1985).
^ A. Chodos and V.A. Kostelecky, Nuclear null tests for space-like neutrinos, Phys. Lett. B 336, 295 (1994). arXiv:hep-ph/9409404
^ Lista över artiklar om takyon-neutrino idén. InSPIRE databas.
^ R. J. Hughes and G. J. Stephenson Jr., Against tachyonic neutrinos, Phys. Lett. B 244, 95-100 (1990).
^ P. Adamson et al. (MINOS Collaboration) (2007). ”Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam”. Physical Review D 76 (7). doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. Bibcode: 2007PhRvD..76g2005A.
^ P. Adamson et al. (MINOS), Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam, Phys. Rev. D76 (2007) 072005. Arxiv:0706.0437.
^ D. Overbye (22 september 2011). ”Tiny neutrinos may have broken cosmic speed limit”. New York Times. http://www.nytimes.com/2011/09/23/science/23speed.html. ”That group found, although with less precision, that the neutrino speeds were consistent with the speed of light.”
^ en:MINOS
^ [a b] Adam, Agafonova, Aleksandrov, Altinok, Alvarez Sanchez, Aoki, Ariga, Ariga, Autiero +165; Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, arXiv eprint=1109.4897v1 (22 september 2011)
^ [a b] OPERA Collaboration (22 september 2011). ”Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”. arXiv. http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf. Läst 25 september 2011.
^ http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-15017484
^ Ulf Danielsson; Är tidsresor möjliga eller håller Einstein?, essä (2012-01-10).
^ Sankei Shimbun 24 September 2011 ”Arkiverade kopian”. Arkiverad från originalet den 25 september 2011. https://web.archive.org/web/20110925223436/http://sankei.jp.msn.com/science/news/110924/scn11092400300000-n2.htm. Läst 1 oktober 2011.
^ ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light Arkiverad 17 mars 2012 hämtat från the Wayback Machine., CERN press (2012-03-16).
^ Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam, arxiv.org
^ ”Neutrinos sent from CERN to Gran Sasso respect the cosmic speed limit”. CERN press release. 8 juni 2012. Arkiverad från originalet den mars 17, 2012. https://web.archive.org/web/20120317155256/http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html. Läst 2013-13-13.
^ OPERA collaboration (July 12, 2012). ”Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”. 'arXiv:1109.4897'.
^ J. Bahcall et al. (2005). ”New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes”. The Astrophysical Journal 621: sid. L85–L88. doi:10.1086/428929. Bibcode: 2005ApJ...621L..85B.

Se även

[1] Donald H. Perkins; Particle Astrophysics^{[död länk]}, 2:a uppl, Oxford University (2009), kap 4.6 Neutrinos. ISBN 0-19-954546-4

[2] A. Chodos, A. I. Hauser, and V.A. Kostelecky, The Neutrino As A Tachyon, Phys. Lett. B 150, 431 (1985).

[3] A. Chodos and V.A. Kostelecky, Nuclear null tests for space-like neutrinos, Phys. Lett. B 336, 295 (1994). arXiv:hep-ph/9409404

[4] Lista över artiklar om takyon-neutrino idén. InSPIRE databas.

[5] R. J. Hughes and G. J. Stephenson Jr., Against tachyonic neutrinos, Phys. Lett. B 244, 95-100 (1990).

[6] P. Adamson et al. (MINOS Collaboration) (2007). ”Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam”. Physical Review D 76 (7). doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. Bibcode: 2007PhRvD..76g2005A.

[7] P. Adamson et al. (MINOS), Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam, Phys. Rev. D76 (2007) 072005. Arxiv:0706.0437.

[8] D. Overbye (22 september 2011). ”Tiny neutrinos may have broken cosmic speed limit”. New York Times. http://www.nytimes.com/2011/09/23/science/23speed.html. ”That group found, although with less precision, that the neutrino speeds were consistent with the speed of light.”

[9] :MINOS

[OPERA_20110922-10] [a b] Adam, Agafonova, Aleksandrov, Altinok, Alvarez Sanchez, Aoki, Ariga, Ariga, Autiero +165; Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam, arXiv eprint=1109.4897v1 (22 september 2011)

[OPERA-PDF-11] [a b] OPERA Collaboration (22 september 2011). ”Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”. arXiv. http://static.arxiv.org/pdf/1109.4897.pdf. Läst 25 september 2011.

[12] ttp://www.bbc.co.uk/news/science-environment-15017484

[13] Ulf Danielsson; Är tidsresor möjliga eller håller Einstein?, essä (2012-01-10).

[14] Sankei Shimbun 24 September 2011 ”Arkiverade kopian”. Arkiverad från originalet den 25 september 2011. https://web.archive.org/web/20110925223436/http://sankei.jp.msn.com/science/news/110924/scn11092400300000-n2.htm. Läst 1 oktober 2011.

[15] ICARUS experiment at Gran Sasso laboratory reports new measurement of neutrino time of flight consistent with the speed of light Arkiverad 17 mars 2012 hämtat från the Wayback Machine., CERN press (2012-03-16).

[16] Measurement of the neutrino velocity with the ICARUS detector at the CNGS beam, arxiv.org

[17] ”Neutrinos sent from CERN to Gran Sasso respect the cosmic speed limit”. CERN press release. 8 juni 2012. Arkiverad från originalet den mars 17, 2012. https://web.archive.org/web/20120317155256/http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2011/PR19.11E.html. Läst 2013-13-13.

[18] OPERA collaboration (July 12, 2012). ”Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam”. 'arXiv:1109.4897'.

[J._Bahcall_et_al._2005_L85–L88-19] J. Bahcall et al. (2005). ”New solar opacities, abundances, helioseismology, and neutrino fluxes”. The Astrophysical Journal 621: sid. L85–L88. doi:10.1086/428929. Bibcode: 2005ApJ...621L..85B.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]