Mange milliarder partikler flyr gjennom kroppen din hvert eneste sekund hver eneste dag.

De spøkelsesaktige partiklene kalles for nøytrinoer, og de er notorisk vanskelige for forskerne å oppdage.

Tidligere har forskerne stilt opp gigantiske detektorer for å fange opp signaler fra nøytrinoer, men i et nytt eksperiment har forskere greid å få livstegn fra dem med et instrument på størrelse med en brusflaske.

– Det er en teknikk som kan få stor betydning for nøytrinoforskningen, sier Ulrik Uggerhøj, som er professor ved Institut for Fysik og Astronomi ved Aarhus Universitet i Danmark.

Han har ikke vært en del av den nye studien, som er publisert i det vitenskapelige tidsskriftet Science.

Nøytrinoer er asosiale

Årsaken til at nøytrinoer er så vanskelige å oppdage, er at de er ekstremt asosiale. De vil ikke leke med andre partikler, og bare i ekstremt sjeldne tilfeller påvirker nøytrinoene omgivelsene sine.

Eller som fysikerne sier: Nøytrinoer er veldig svakt vekselvirkende.

– Nøytrinoer kan reise stort sett uforstyrret gjennom universet og passere igjennom nesten alt. Det er fordi de stort sett ikke vekselvirker med noe. Men det er viktig å legge vekt på «stort sett», for det skjer en sjelden gang at de vekselvirker med omgivelsene. Ellers ville vi ikke visst om dem, sier Uggerhøj.

Ny form for vekselvirkning

I den nye studien har forskerne beskrevet en ny måte som nøytrinoene vekselvirker med omgivelsene på. Det skjer når et nøytrino en sjelden gang treffer på en atomkjerne.

– Når et nøytrino treffer en atomkjerne, blir kjernen satt i bevegelse. Det er bare veldig lite bevegelse, men det forteller oss at nøytrinoet har vært der, forklarer Uggerhøj.

Hvis man vil øke sjansen for at et nøytrino treffer en atomkjerne – og ikke bare flyr forbi i det tomme rom – kreves et materiale laget av tunge grunnstoffer med store atomkjerner. Jo større atomkjerne, jo bedre.

Men ulempen at bevegelsen til tunge atomkjernen er vanskeligere å oppdage, Juan Collar, som er en av forskerne bak den nye studien.

– Forestill deg at nøytrinoer er bordtennisballer som treffer en bowlingball. Påvirkningen vil bli veldig svak, sier Collar, som er professor i fysikk ved University of Chicago i en pressemelding.

Du kan høre mer om det nye nøytrinoeksperimentet i denne videoen. (Video: University of Chicago)

Et «perfekt» materiale

I den nye studien har forskerne funnet frem til et materiale de selv beskriver som «perfekt» for å oppdage slik bevegelse. Materialet er en cesiumjodidkrystall ispedd litt natrium.

Ved bruk av dette materialet kunne forskerne bygge en nøytrinodetektor som bare er 10 x 33 centimeter stor og veier 14,6 kilo. En baby i forhold til de enorme detektorene som normalt brukes til å fange opp signaler fra nøytrinoer – slik som IceCube Neutrino-detektoren, som består av tusenvis av sensorer som er spredt utover en kvadratkilometer under isen på Antarktis.

I IceCube-prosjektet måler forskerne nøytrinoer som treffer elektroner. Det er en annen mekanisme enn den som beskrives i den nye studien, og derfor kan den nye minidetektoren heller ikke erstatte IceCube, forklarer Ulrik Uggerhøj.

– Den nye mekanismen er ikke et vidundermiddel som kan få andre detektorer til å skrumpe voldsomt. Men det kan være et supplement til eksisterende mekanismer, sier Uggerhøj.

Slik foregår jakten på nøytrinoer

I de fleste andre prosjekter måler forskerne på en annen form for vekselvirkning enn i IceCube-prosjektet og den nye studien. I disse prosjektene skjer vekselvirkningen når nøytrinoer treffer en enkelt kjernepartikkel, forklarer Ulrik Uggerhøj.

– Når et nøytrino treffer en av kjernepartiklene, blir kjernen endret litt. Atomkjernen går fra å være én type til en annen. I store nøytrinodetektorer er det mange milliarder atomkjerner, og hvis en eller to atomkjerner har blitt til en annen type, kan man finne fram til dem ved kjemiske metoder. Dermed kan man se at nøytrinoene har vært der, sier Uggerhøj.

I den nye studien er det ikke bare en enkelt kjernepartikkel nøytrinoene treffer – det er hele kjernen, forklarer Uggerhøj.

Denne formen for vekselvirkning kaller forskerne for sammenhengende nøytrinospredning (Coherent Elastic Neutrino-Nucleus scattering).

Spådd i 1974

Fenomenet var allerede spådd teoretisk, men det er første gang det er demonstrert i et eksperiment.

– Det eneste vi ser, er kjernen som beveger seg. Derfor er det så vanskelig å måle og derfor har tatt over 40 år å vise det i et eksperiment. Det er rett og slett veldig vanskelig å måle at kjernen blir satt i bevegelse, sier Uggerhøj.

Det var den amerikanske fysikeren Daniel Freedman som i 1974 forutsa at nøytrinoer ville kunne treffe atomkjerner og sette dem i bevegelse. Den gangen var han skeptisk til ideen om at det en dag ville bli mulig å etterprøve teorien i et eksperiment og skrev at det «ville føre til alvorlige eksperimentelle problemer» å bevise teorien i et eksperiment.

Nøytrino kan avsløre universets hemmeligheter

Det er det internasjonale forskningssamarbeid COHERENT som har utviklet den nye nøytrinodetektoren, som uten tvil slår alle rekorder som verdens minste nøytrinojeger.

Det betyr samtidig at det vil bli billigere og lettere for forskere å bli en del av jakten på de fascinerende spøkelsespartiklene, spår Uggerhøj.

Nøytrinoer har fortsatt mange hemmeligheter – for eksempel hva de veier. Håpet er at mer kunnskap om nøytrinoer samtidig kan få større kunnskap om andre av universets hemmeligheter.

Forskerne håper blant annet at nøytrinoer kan være med på å gi mer informasjon om supernovaer (eksploderende stjerner) og mørk materie – en mystisk form for materie som ingen egentlig vet hva er, men som forskerne mener utgjør en stor del av universet.

Referanse:

D. Akimov mfl: «Observation of coherent elastic Neutrino-nucleus scattering», Science (2017), DOI: 10.1126/science.aao0990

© Videnskab.dk. Oversatt av Lars Nygaard for forskning.no.