nøytrino – Store norske leksikon

De tre nøytrinotypene er en del av standardmodellen for elementærpartikkelfysikk.

Nøytrinoer i standardmodellen for elementærpartikkelfysikk

Av Jostein Riiser Kristiansen.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Innsida av nøytrinodetektoren Daya Bay Antineutrino Detector. «Boblene» langs veggene i tanken er fotomultiplikatorer som skal fange opp signalet fra eventuelle nøytrinoer og antinøytrinoer.

Daya Bay Antineutrino Detector

Av Roy Kaltschmidt/Lawrence Berkeley National Laboratory.

Lisens: Falt i det fri (Public domain)

Nøytrino er en elementærpartikkel. Nøytrinoene har ikke elektrisk ladning og har bare svak vekselvirkning med andre partikler. Derfor vil de fleste nøytrinoer som treffer Jorda, passere tvers gjennom uten å etterlate seg spor. Kunnskap om nøytrinoer er viktig for å forstå prosesser i partikkelfysikk og i astronomi.

Faktaboks

Uttale: nøytrino
Etymologi: av italiensk ‘meget liten nøytral’
Engelsk navn: neutrino
Symbol: ν (gresk «ny»)
Type: lepton

Nøytrinoer er den partikkeltypen i universet det finnes nest flest av, etter fotoner. På Jorda treffes et areal på én kvadratcentimeter av milliarder av nøytrinoer hvert sekund.

Nøytrinoer har en svært liten masse, under en milliondel av massen til elektronet. De nøyaktige massene til nøytrinoer er ikke kjent.

Nøytrinoer dannes i kjernereaksjoner, for eksempel i Sola, i supernovaeksplosjoner og i kjernereaktorer. Det ble dessuten dannet store mengder nøytrinoer i tiden rett etter big bang.

Nøytrinoer ble første gang påvist eksperimentelt i 1953. Det er fortsatt flere ubesvarte vitenskapelige spørsmål knyttet til nøytrinoer, og nøytrinofysikk er et aktivt forskningsfelt med mange pågående eksperimenter.

Tre typer nøytrinoer

Nøytrinoene er en del av standardmodellen for partikkelfysikk. Nøytrinoer tilhører gruppen av elementærpartikler som kalles leptoner.

Det finnes tre kjente typer nøytrinoer:

elektronnøytrinoer
myonnøytrinoer
taunøytrinoer

Hver av nøytrinoene har en antipartikkel. For nøytrinoet brukes symbolet ν ( gresk «ny»).

Nøytrinoer dannes både på Jorda og i verdensrommet

Nærbilde av Sola. — I Solas indre dannes det over store mengder nøytrinoer hvert sekund. Bildet er tatt med romteleskopet EIT 14. september 1999.

Sola

Av SOHO-EIT, ESA, NASA.

Lisens: Begrenset gjenbruk

Nøytrinoer dannes i kjernereaksjoner. På Jorda dannes de både i naturlige, radioaktive prosesser og i kjernereaktorer og partikkelakseleratorer. I Jordas atmosfære dannes nøytrinoer når svært energirike partikler fra verdensrommet kolliderer med partikler i atmosfæren.

I verdensrommet dannes nøytrinoer i blant annet i kjernereaksjoner inne i stjerner. I Solas indre dannes det over 100 sekstillioner, på standardform 10³⁸, nøytrinoer hvert sekund.

Supernovaeksplosjoner er en annen kilde til nøytrinoer. I tiden rett etter big bang ble det dannet store mengder nøytrinoer som fortsatt finnes overalt i universet.

Siden nøytrinoer bare vekselvirker gjennom svake vekselvirkninger, er det svært sjelden de påvirker, eller blir påvirket av, annen materie. Når et nøytrino først er dannet, vil det derfor typisk ha en svært lang levetid der det kan passere uhindret gjennom Jorda, så vel som gjennom stjerner og annen materie i universet.

Nøytrinoeksperimenter

I IceCube-eksperimentet ved sydpolen brukes den antarktiske isen som detektormateriale. Det er boret over 2 km dype hull i isen, der det er senket ned søyler med fotondetektorer. Når et nøytrino med passende energi kolliderer med atomer i isen, vil det dannes stråling som kan registreres. Ved å se på signalet i mange detektorer samtidig kan man finne ut hvilken retning nøytrinoet kom fra.

IceCube-eksperimentet

Av Nasa-verve / Jostein Riiser Kristiansen.

Lisens:

To typer beta-henfall vises i figuren. I (a) henfaller et proton til et nøytron, et positron samt et nøytrino. I (b) henfaller et nøytron til et proton, et elektron samt et anti-nøytrino.

Illustrasjon av beta-henfall.

Av Jacob Linder.

Lisens: CC BY SA 3.0

Nøytrinoer har ikke elektrisk ladning. De kan derfor ikke sende ut elektromagnetisk stråling eller elektriske signaler som man kan observere direkte i et eksperiment. For å kunne se et nøytrino i et eksperiment må nøytrinoet først vekselvirke med annen materie, som deretter gir et signal som kan observeres og tolkes.

Siden nøytrinoer vekselvirker så sjelden med vanlig materie, er ofte detektorene svært store. Det store volumet øker sannsynligheten for et sammenstøt som kan observeres. Dette er grunnen til at det er bygd nøytrinoeksperimenter som bruker store volum av naturlige forekomster av vann eller is som detektormateriale. Eksempler på eksperimenter er IceCube i Antarktis, Antares i Middelhavet og Baikal i Bajkalsjøen.

Det er viktig at eksperimentene skjermes fra kosmisk stråling og annen stråling som kan forstyrre målingene. Derfor plasseres de gjerne skjermet, for eksempel dypt nede i gruver.

Påvisning ved rekylenergi

Hvis et nøytrino eller antinøytrino med tilstrekkelig energi støter mot et elektron, kan elektronet etter støtet få større fart enn lysfarten i vann. Det vil da sende ut tsjerenkovstråling som registreres med fotomultiplikatorer. Denne teknikken brukes i nøytrinoeksperimenter der man bruker store vann- eller ismasser som detektormateriale.

Påvisning ved invers beta-henfall

En annen prosess som brukes til å oppdage nøytrinoer, er invers beta-henfall. Ved invers beta-henfall fanger et proton inn et antinøytrino og går over til et nøytron og et positron, eller et nøytron fanger inn et nøytrino og går over til et proton og et elektron.

Prosessen kan foregå med protoner og nøytroner i atomkjerner og leder da til en endring av atomkjernene. Restproduktene etter slike beta-henfallsprosesser kan observeres, for eksempel ved å studere radioaktiv stråling fra de nye atomkjernene som dannes.

Egenskaper

Nøytrinoer har kvantemekanisk spinn ½ ℏ, og de er derfor fermioner. Spinnet har betydning i vekselvirkninger med andre partikler og for de statistiske egenskapene til nøytrinoene. Nøytrinoene følger Fermi-Dirac-statistikk.

Leptontall

Det finnes tre typer nøytrinoer: elektronnøytrino, ν_e, myonnøytrino, ν_μ, og tau-nøytrino, ν_τ, og tre tilsvarende antinøytrinoer. I vekselvirkning med andre partikler har de tre nøytrinotypene ulike egenskaper.

Elektronet e^–, og elektron-nøytrinoet ν_e, har et ladningstall som kalles elektronisk leptontall, L_e. Leptonene e^– og ν_e har verdien +1 for L_e, mens de to antipartiklene har verdien –1. Alle andre partikler har verdien 0 for L_e. Tilsvarende defineres ladningstallene L_e, L_μ og L_τ.

I en vekselvirkning, for eksempel en kjernereaksjon, vil leptontallet før og etter reaksjonen være det samme. Et eksempel er beta-henfall av et nøytron, der nøytronet går over til å bli et proton, et elektron og et anti-elektronnøytrino. Nøytronet har ikke et leptontall, altså er L_e=0 før reaksjonen. Elektronet har L_e=1, anti-elektronnøytrinoet har L_e=–1 og protonet har ikke et leptontall. Derfor er det totale leptontallet L_e=0 også etter betahenfallet.

Det har vist seg at nøytrinoer kan endre type, og dermed også leptontall, når det beveger seg mellom to vekselvirkninger. Denne effekten kalles nøytrinooscillasjoner.

Nøytrinooscillasjoner

Figuren viser nøytrinooscillasjoner for nøytrinoer som dannes i Jordas atmosfære. Jo lenger nøytrinoene beveger seg, desto lengre tid har de til å endre seg til en annen nøytrinotype. Ved å sammenlikne forholdet mellom nøytrinotyper som kom «opp» gjennom jordkloden og «ned» fra atmosfæren over detektoren, observerte fysikere at nøytrinoer oscillerer.

Nøytrino (tegning)

Av KF/Store norske leksikon ※.

Lisens: Begrenset gjenbruk

En spesiell egenskap ved nøytrinoer er at et nøytrino kan endre hvilken type nøytrino det er. For eksempel kan et nøytrino som dannes som et elektronnøytrino, senere oppføre seg som et myonnøytrino.

Eksperimenter der nøytrinostråler med kjente egenskaper går over store avstander, for eksempel fra ett laboratorium til et annet noen hundre kilometer unna, eller fra Sola til Jorda, viser at nøytrinooscillasjoner skjer. De tre leptontallene L_e, L_μ og L_τ er altså ikke bevart mellom to vekselvirkninger.

Nøytrinooscillasjoner ble påvist eksperimentelt på slutten av 1990-tallet, først av Super-Kamiokande-eksperimentet i Japan og deretter av Sudbury Neutrino Observatory i Canada. Oppdagelsen løste det såkalte solare nøytrino-problemet. Dette problemet var at man observerte langt færre elektronnøytrinoer fra Sola enn det som var forventet. Løsningen på problemet var at mange av elektronnøytrinoene produsert i Sola går over til å bli myon- og taunøytrinoer før de blir observerte på Jorda.

Massen til nøytrinoer

For at nøytrinooscillasjoner skal kunne skje, kan ikke nøytrinomassen være null. Massene til nøytrinoene er likevel svært små, en milliondel av massen til elektronet, eller mindre. Dette tilsvarer en masse på under 10^–36 kg, eller under 0,5 eV/c².

Dessverre er det ikke mulig å bestemme nøytrinomassene direkte ut fra disse eksperimentene; vi kan bare bestemme forskjellene i nøytrinomasser. Det største forskjellen mellom to nøytrinomasser er målt til å være omtrent 10^–37 kg (eller omtrent 0,05 eV/c²). Det tyngste nøytrinoet må derfor ha en masse som er minst så stor som dette.

Les mer i nøytrinoastronomi.

Helisitet

Nøytrinoer og antinøytrinoer har motsatt helisitet, det vil si at de har kvantemekanisk spinn i motsatte retninger i forhold til bevegelsesretningen, nøytrinoet som en venstredreid og antinøytrinoet som en høyredreid skrue. Dette gjelder hvis man antar at nøytrinoene beveger seg med lysets hastighet.

Siden nøytrinoene har en liten masse, vil de i virkeligheten bevege seg langsommere enn lyset. I praksis er hastighetene til nøytrinoene oftest så høye at man kan se på nøytrinoene som venstredreide og antinøytrinoene som høyredreide.

I standardmodellen for elemetærpartikkelfysikk er det bare det venstredreide nøytrinoet og høyredreide antinøytrinoet som deltar i svak vekselvirkning.

Sterile nøytrinoer

I tillegg til de tre kjente nøytrinotypene finnes også teorier der det opptrer såkalte sterile nøytrinoer, som ikke vekselvirker svakt med annen materie. Slike sterile nøytrinoer er ikke påvist i eksperimenter, og det er svært usikkert om de eksisterer.

Forskning og betydning

Det forskes aktivt på nøytrinoer, både teoretisk og gjennom eksperimenter. Eksperimentene har en rekke ulike formål. Forskere ønsker bedre forståelse av nøytrinoene i seg selv. Samtidig kan studier av nøytrinoer gi oss ny kunnskap om elementærpartikkelfysikk generelt, men også om astronomiske fenomener og om universet.

I elementærpartikkelfysikken er spørsmålet om nøytrinoenes masse og stabilitet knyttet sammen med leptonenes og kvarkenes egenskaper. Bedre forståelse av nøytrinoenes egenskaper kan være en nøkkel for å finne en mer enhetlig beskrivelse av de fundamentale kreftene.

Det at nøytrinomassene er svært små i forhold til de andre fermionene, kan være et hint om at det finnes ny fysikk utover standardmodellen for elementærpartikkelfysikk. En mulighet er at hver av nøytrinotypene er sin egen antipartikkel; i så fall er de majoranapartikler. Eller det kan også tenkes at nøytrinoene inneholder komponenter som er sin egen antipartikkel. Foreløpig er slike ideer ikke bekreftet av observasjoner.

Nøytrinoer er viktige for å studere energirike prosesser i universet, slik som supernovaeksplosjoner. Når energirike partikler fra verdensrommet treffer Jorda, vil de kollidere med partikler i atmosfæren og ikke være mulige å observere direkte ved jordoverflaten. I kollisjonene dannes det blant annet nøytrinoer som vil kunne bevege seg uhindret mot Jorda. Når vi observerer slike nøytrinoer, kan vi lære mer om supernovaer og andre voldsomme hendelser i universet.

I astrofysikk og kosmologi er kjennskap til nøytrinoene av betydning for spørsmålene om massefordeling i universet og forståelsen av mørk materie og mørk energi. Siden nøytrinoene er så tallrike, påvirker de hvordan universet utvikler seg og hvordan strukturer dannes i universet. Hvordan nøytrinoene påvirker universet, avhenger av hvor stor masse nøytrinoene har. De beste øvre grensene for nøytrinomassen kommer fra observasjoner av store strukturer i universet.

Les mer i nøytrinoastronomi

Historie

Eksistensen av nøytrinoer ble først foreslått av Wolfgang Pauli i 1930 for å forklare at energi og spinn kunne være bevart i beta-henfall. I 1933 viste Enrico Fermi at beta-spekterets form (se beta-henfall) svarer til at det samtidig med elektronet sendes ut en partikkel med svært liten masse. Han foreslo navnet nøytrino på den ukjente partikkelen. Etter teorien måtte den ha liten vekselvirkning med materien og derfor ville den være vanskelig å påvise direkte.

Den første påvisningen av antinøytrinoer fra en uranreaktor ble gjennomført av Frederick Reines og Clyde Cowan 1953. Senere har man også påvist nøytrinoer, og det er vist at det finnes minst tre ulike typer nøytrinoer.

Les mer i Store norske leksikon

Faktaboks

Masse: < 10⁻³⁶ kg
Elektrisk ladning: 0
Spinn: 1/2

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Ordforklaringer fysikk

Jostein Riiser Kristiansen