Cameron Merritt
0 
4665
665
Ik hou van een goed mysterie, of het nu blijkt dat de butler het heeft gedaan, of dat het kolonel Mosterd was in de bibliotheek met een kandelaar.
Maar ik hou nog meer van wetenschappelijke mysteries.
Onlangs hebben wetenschappers die onderzoek doen bij het Fermi National Accelerator Laboratory, of Fermilab, een meting aangekondigd die een echte puzzel is. Het betreft een subatomair deeltje genaamd de neutrino, de geest van de microkosmos, die door de aarde kan gaan zonder interactie. En dat is VOORDAT we beginnen te praten over de rare dingen.
De recente meting, uitgevoerd door een samenwerking van wetenschappers genaamd MiniBooNE, zou de mogelijke ontdekking kunnen inluiden van een nieuw soort neutrino dat mogelijk de bron zou kunnen zijn van donkere materie - een van de meest urgente raadsels van de moderne astronomie. Maar om te begrijpen hoe het allemaal bij elkaar hangt, moet je de geschiedenis van neutrino's kennen, een fascinerend verhaal met wendingen die het hoofd van Agatha Christie doen tollen. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]
De Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli stelde voor het eerst het bestaan van neutrino's voor in 1930. We weten nu dat neutrino's alleen met elkaar in wisselwerking staan via wat onvoorstelbaar de "zwakke kracht" wordt genoemd, de zwakste van de krachten die enige invloed hebben over afstanden die kleiner zijn dan atomen. Neutrino's ontstaan in kernreacties en in deeltjesversnellers.
In 1956 observeerde een team van natuurkundigen onder leiding van de Amerikanen Clyde Cowan en Frederick Reines de spookachtige deeltjes voor het eerst. Voor hun ontdekking deelde Reines de Nobelprijs voor natuurkunde van 1995. (Cowan stierf voordat de prijs werd toegekend.)
In de loop van de decennia werd duidelijk dat er drie verschillende soorten neutrino's waren, nu smaken genoemd. Elke neutrinosmaak is anders, zoals het vanille, aardbei en chocolade Napolitaans ijs uit je kindertijd. De feitelijke smaken van de neutrino's komen van hun associatie met andere subatomaire deeltjes. Er is het elektronenneutrino, muon-neutrino en tau-neutrino, die respectievelijk zijn gekoppeld aan het elektron, muon en tau. Het elektron is het bekende deeltje van binnenuit atomen, en de muon en tau zijn de mollige en onstabiele neven van het elektron.
Elke smaak van neutrino is verschillend en nooit zullen de twee (of drie in dit geval) elkaar ontmoeten. Of zo leek het.
In de jaren zestig en zeventig ontstond er een mysterie… als het ware een neutrino-enigma. Amerikaanse onderzoekers Raymond Davis en John Bahcall probeerden de snelheid van neutrino's (met name elektronenneutrino's) te berekenen en te meten die in de grootste kernreactor ter wereld worden geproduceerd: de zon. Toen de voorspelling en meting werden vergeleken, waren ze het daar niet mee eens. Experimentator Davis vond slechts ongeveer een derde van het aantal elektronenneutrino's als theoreticus Bahcall voorspelde.
Dat specifieke experiment was verbazingwekkend verbazingwekkend. Davis gebruikte een container ter grootte van een olympisch zwembad vol standaard vloeistof voor chemisch reinigen om de neutrino's te detecteren. Het idee was dat wanneer neutrino's van de zon de chlooratomen in de chemische reinigingsvloeistof raken, die atomen in argon veranderen. Davis zou een paar weken wachten en dan proberen het argon eruit te halen. Hij verwachtte zoiets als 10 argonatomen, maar hij vond er maar drie. Ja, je leest het goed ... slechts drie atomen.
Naast de experimentele moeilijkheidsgraad was de berekening die Bahcall deed uitdagend en extreem gevoelig voor de kerntemperatuur van de zon. Een minuscule verandering in de temperatuur van de zon veranderde de voorspelling van het aantal neutrino's dat zou moeten worden geproduceerd.
Andere experimenten bevestigden de discrepantie die Bahcall en Davis waarnamen, maar gezien de moeilijkheid van wat ze probeerden te doen, was ik er vrij zeker van dat een van hen een fout had gemaakt. Zowel de berekening als de meting waren gewoon zo ongelooflijk moeilijk om uit te voeren. Maar ik had het fout.
Een andere discrepantie bracht onderzoekers in verwarring. Neutrino's worden geproduceerd in de atmosfeer van de aarde wanneer kosmische straling vanuit de ruimte in de lucht komt die we allemaal inademen. Wetenschappers weten met veel vertrouwen dat wanneer dit gebeurt, muon- en elektronenneutrino's worden geproduceerd in een verhouding van 2 op 1. Maar toen deze neutrino's werden gemeten, werden muon- en elektronenneutrino's gevonden in een verhouding van 1 op 1. Nogmaals, neutrino's brachten fysici in verwarring.
Het mysterie van neutrino's van de zon en van kosmische straling uit de ruimte werd opgelost in 1998, toen onderzoekers in Japan een enorme ondergrondse tank van 50.000 ton water gebruikten om de verhouding van muon- en elektronenneutrino's te bestuderen die in de atmosfeer 20 kilometer boven de tank werden gecreëerd. , vergeleken met dezelfde verhouding gecreëerd aan de andere kant van de planeet, of ongeveer 13.000 kilometer verderop. Door deze slimme aanpak toe te passen, ontdekten ze dat de neutrino's tijdens hun reis hun identiteit veranderden. In het Davis-Bahcall-raadsel bijvoorbeeld veranderden elektronenneutrino's van de zon in de andere twee smaken. [Afbeeldingen: in 's werelds beste fysica-laboratoria]
Dit fenomeen van neutrino's die van smaak veranderen, net zoals vanille die aardbei of chocolade wordt, wordt neutrino-oscillatie genoemd. Dit komt omdat neutrino's niet alleen hun identiteit veranderen en stoppen. In plaats daarvan, als ze genoeg tijd krijgen, wisselen de drie soorten neutrino's voortdurend hun identiteit steeds opnieuw uit. De verklaring van de neutrino-oscillatie werd in 2001 bevestigd en verder verduidelijkt door een experiment dat werd uitgevoerd in Sudbury, Ontario.
Als je dit verhaal duizelingwekkend vond, zijn we nog maar net begonnen. Door de jaren heen hebben neutrino's voor meer verrassingen gezorgd dan een soap tijdens Sweeps Week.
Nu het fenomeen van neutrino-oscillatie is vastgesteld, kunnen wetenschappers het bestuderen met behulp van deeltjesversnellers. Ze konden bundels neutrino's maken en karakteriseren hoe snel ze van de ene smaak in de andere veranderen. In feite is er een hele industrie voor neutrino-oscillatie, met versnellers over de hele wereld die het fenomeen bestuderen. Het vlaggenschiplaboratorium voor neutrinostudies is mijn eigen Fermilab.
Een vierde smaak?
Een onderzoek in 2001, uitgevoerd in het laboratorium van Los Alamos door een samenwerking genaamd LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector), viel op. Hun meting paste niet in het geaccepteerde beeld van drie verschillende smaken neutrino's. Om hun resultaten logisch te krijgen, moesten ze een hypothese stellen van een vierde type neutrino. En dit was geen gewoon soort neutrino. Het wordt een "steriele neutrino" genoemd, wat betekent dat het, in tegenstelling tot gewone neutrino's, de zwakke kracht niet voelde. Maar het nam wel deel aan neutrino-oscillatie ... het veranderen van neutrino-smaken. En het was waarschijnlijk zwaar, wat betekent dat het een ideale kandidaat was voor donkere materie.
Dus dat zou een coole observatie zijn, maar veel andere neutrino-experimenten waren het daar niet mee eens. In feite was het LSND-resultaat een uitbijter - zo eigenaardig dat het gewoonlijk niet werd gebruikt in meta-analyses van neutrinofysica.
En nu komen we bij de recente meting van het MiniBooNE-experiment bij Fermilab. De naam komt van "BOOster Neutrino Experiment." Het gebruikt een van de Fermilab-versnellers, de Booster, om neutrino's te maken. De “Mini” komt voort uit het feit dat toen het werd gebouwd, een groter vervolgexperiment werd overwogen.
Wetenschappers van MiniBooNE ontdekten dat hun gegevens de LSND-meting daadwerkelijk ondersteunden en dat, als ze hun gegevens combineren met de LSND-gegevens, de statistische sterkte van de meting sterk genoeg is om een ontdekking te claimen ... mogelijk van steriele neutrino's.
Maar dan is er het feit dat veel andere experimenten absoluut oneens zijn met het LSND (en nu MiniBooNE) experiment. Dus, wat is daar aan de hand??
Nou, dat is, zoals ze zeggen, een goede vraag. Het kan zijn dat de LSND- en MiniBooNE-onderzoekers eenvoudigweg iets vonden dat de andere experimenten misten. Of het kan zijn dat LSND en MiniBooNE allebei een valse ontdekking hebben gedaan. Of het kan zijn dat deze twee specifieke experimentele apparaten gevoelig zijn op een manier die de andere niet zijn. Een belangrijke parameter is dat de afstand tussen waar de neutrino's werden gemaakt en waar ze werden gedetecteerd relatief kort was - slechts een paar honderd meter, of de lengte van apparaten op verschillende voetbalvelden. Neutrino's hebben tijd nodig om te oscilleren en als ze bewegen, vertaalt dit zich in afstand. Veel experimenten met neutrino-oscillaties hebben detectoren die zich enkele of vele honderden kilometers verderop bevinden. Misschien treedt de belangrijke oscillatie snel op, dus een dichte detector is cruciaal.
Wat het probleem nog ingewikkelder maakt, is dat bij de samenwerkingen tussen LSND en MiniBooNE, ook al zijn ze meer dan een decennium van elkaar gescheiden, enkele van dezelfde personen betrokken waren. Het blijft dus mogelijk dat ze dezelfde fout herhalen. Of misschien dezelfde genialiteit vertonen. Het is moeilijk zeker te zijn.
Dus, hoe lossen we dit op? Hoe weten we wie er gelijk heeft? Welnu, dit is wetenschap en in de wetenschap winnen meting en replicatie het argument.
En dit is goed nieuws. Gezien het feit dat Fermilab ervoor heeft gekozen om zijn vermogen om neutrino's te bestuderen te ontwikkelen, zijn niet één, maar drie verschillende neutrino-experimenten actief of in aanbouw, met korte afstanden tussen het ontstaan en het detectiepunt van neutrino's. De ene heet MicroBooNE (een kleinere versie van MiniBooNE en met andere technologie), de andere is ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) en de derde is SBN (Short Baseline Neutrino). Al deze experimenten zijn veruit superieur aan MiniBooNE en LSND in termen van technische mogelijkheden, en daarom hopen onderzoekers dat ze binnen een tijdsbestek van een paar jaar definitieve uitspraken zullen doen over het onderwerp steriele neutrino's..
Dus, wat zal het uiteindelijke antwoord zijn? Ik weet het niet - dat is het ding over onderzoek ... je bent volledig in de war totdat je het weet. Maar wat ik wel weet, is dat dit een fascinerend mysterie is, met meer dan zijn aandeel aan verrassingen en valkuilen. Ik ben er vrij zeker van dat zelfs Sherlock Holmes in de war zou zijn.
Oorspronkelijk gepubliceerd op .
Don Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com Expertvoices: Op-Ed & Insights.