Fysik duo vinder Nobelprisen for at løse et langvarigt neutrino-puslespil

Anonim

Canadas Arthur B McDonald og Japans Takaaki Kajita har vundet årets Nobelpris i Fysik til deres overraskende opdagelse, at små subatomære partikler kaldet neutrinos har masse.

Deres eksperimentelle resultater tvang forskere til at genoverveje "Standardmodellen" for partikelfysik, der med succes havde forklaret alle observationer af den subatomære verden i årtier.

Hvad er neutrinos?

Neutrinos produceres, når radioaktive isotoper forfalder og har været indkapslet i mysterium, siden Wolfgang Pauli først foreslog dem i 1930. I standardmodellen antages de at have ingen masse (som lyspartikler, fotoner) og være neutrale (mangler elektrisk ladning ). Dette vil også forklare hvorfor neutriner normalt passerer lige gennem materiel uden at interagere, hvilket gør dem ekstremt vanskelige at registrere. Der kræves enorme instrumenter for at observere dem i tilstrækkelige mængder for at studere deres egenskaber.

Neutrinos blev først direkte observeret ved Cowan-Reines-eksperimentet i 1956 under anvendelse af neutrinos fra en atomreaktor og to store vandtanke. Hvis en neutrino interagerede med en kerne i detektoren, ville dette resultere i en flash af lys, der kunne afhentes af fotomultiplikatorrør, der blev sandwichet mellem tanke. Frederick Reines blev tildelt Nobelprisen i 1995 for dette arbejde.

Men når detektorer blev følsomme nok til at observere neutriner skabt i nukleare reaktioner i solen, var forskerne udsat for et stort problem. De havde beregnet mængden af ​​neutriner fra solen, der skulle ramme jorden, men observerede kun en tredjedel af dette tal i deres eksperimenter. En yderligere nobelpris blev præsenteret for Ray Davis i 2002 for denne opdagelse. Mysteriet af disse manglende neutrinos blev udtænkt "solar neutrino problemet" og forblev et puslespil i fyrre år, indtil samarbejdet ledet af Kajita og McDonald gjorde deres spændende opdagelse.

Underjordisk opdagelse

Der er tre forskellige typer, eller "smag" af neutrino - elektron, muon og tau - som har en lidt anden masse og kan interagere med andre partikler på forskellige måder.

I 1998 meddelte Kajita, som nu arbejder ved universitetet i Tokyo, at Super-Kamiokande-eksperimentet i Japan havde fundet ud af, at neutrinerne "oscillerer" mellem disse smagsstoffer, hvilket er muligt takket være de kvante regler for kvantemekanik.

Super-Kamiokande opdagede muon-neutriner, der kommer lige fra atmosfæren ovenfor, såvel som dem, der rammer detektoren nedenunder efter at have rejst gennem jorden. Da neutriner knap virker, bør der være lige mange neutrinoer, der kommer fra de to retninger. Imidlertid var muon-neutrinerne, der kom lige ned til Super-Kamiokande, mere talrige end dem, der var gået gennem planeten. Dette viste, at muon-neutriner, der rejste længere, havde mere tid til at svinge ind i tau-neutriner, som kunne undgå detektorerne.

Disse resultater blev bekræftet i 2001 af Arthur B McDonald, der er baseret på Queen's University i Canada, og Sudbury National Observatory samarbejde, denne gang ved at detektere svingninger af neutriner fra solen. Ved nøje at observere neutrinos interaktioner med "tungt vand" kunne de bestemme det totale antal neutriner, såvel som fraktionen af ​​elektronnutrinoer. De viste afgørende, at der ikke var nogen manglende neutrinos, da alle varianter var blevet taget i betragtning.

Opdagelsen af ​​Kajita og McDonald løste solar neutrino problemet, da det kunne forklare, hvor de manglende neutrinos var gået; de ændrede simpelthen smag på vej fra solen til detektoren, hvilket betyder, at de ikke kunne registreres. Det viste også, at standardmodellen var ufuldstændig, da svingninger ikke er mulige i mangel af neutrino-masser.

Fra deres banebrydende arbejde har neutrino-feltet boomet over hele verden med eksperimenter på alle kontinenter. Nu da vi ved, at neutrinos har masse, har vi brug for nye teorier til at forklare, hvordan de erhverver det. Hvis nye fundamentale partikler er ansvarlige for neutrino masser, kan en af ​​dem tegne sig for mørkt stof, et mystisk stof, der udgør langt størstedelen af ​​sagen i universet. Der arbejdes på dette område, og spændende opdagelser kan ligge lige rundt om hjørnet.

Forrige Artikel
Næste Artikel