De 4E Smaak? Wetenschappers Sluiten Zich Aan Bij Een Nieuw Soort Neutrino

{h1}

De geschiedenis achter de mogelijke ontdekking van het steriele neutrino is een fascinerend verhaal met wendingen en draaiingen die het hoofd van agatha christie doen draaien.

Ik hou van een goed mysterie, of het nu blijkt dat de butler het deed, 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 aan Fermi National Accelerator Laboratory, of Fermilab, een meting aangekondigd die een echt puzzelspel is. Het gaat om een ​​subatomair deeltje dat de neutrino wordt genoemd, wat de geest is van de microkosmos en in staat is om zonder interactie door de aarde te komen. 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 kan zijn van donkere materie - een van de meest urgente raadsels van de moderne astronomie. Maar om te begrijpen hoe het allemaal samen hangt, moet je de geschiedenis van neutrino's kennen, een fascinerend verhaal met wendingen en wendingen die het hoofd van Agatha Christie doen draaien. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

De Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli stelde eerst het bestaan ​​voor van neutrino's in 1930. We weten nu dat neutrino's alleen interageren door wat onvoorstelbaar de 'zwakke kracht' wordt genoemd, de zwakste van de krachten die enige invloed heeft op afstanden die kleiner zijn dan atomen. Neutrino's worden gecreëerd in nucleaire reacties en in deeltjesversnellers.

In 1956 observeerde een team van fysici onder leiding van Amerikanen Clyde Cowan en Frederick Reines voor de eerste keer de spookachtige deeltjes. Voor hun ontdekking deelde Reines de Nobelprijs uit 1995 in de natuurkunde. (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 neutrino-smaak is anders, zoals het vanille-, aardbei- en chocolade Napolitaanse ijs uit je jeugd. De eigenlijke smaken van de neutrino's komen van hun associatie met andere subatomaire deeltjes. Er zijn de elektronen neutrino, muon neutrino en tau neutrino, die zijn gekoppeld aan respectievelijk het elektron, muon en tau. Het elektron is het vertrouwde deeltje van binnenuit de atomen, en het muon en tau zijn de chubbier 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 hebben geprobeerd de snelheid van neutrino's (met name elektronen neutrino's) geproduceerd in de grootste kernreactor rond: de zon te berekenen en te meten. Toen de voorspelling en meting werden vergeleken, waren ze het daar niet mee eens. Experimentator Davis vond slechts ongeveer een derde zoveel elektronneutrino's als theoreticus Bahcall voorspelde.

Dat specifieke experiment was verbluffend verbazingwekkend. Davis gebruikte een container ter grootte van een olympisch zwembad vol standaard chemisch reinigingsmiddel om de neutrino's te detecteren. Het idee was dat wanneer neutrino's uit de zon de chlooratomen in de stomerijvloeistof raken, die atomen in argon zouden veranderen. Davis wacht een paar weken en probeert dan het argon te extraheren. Hij verwachtte zoiets als 10 argonatomen, maar hij vond er maar drie. Ja, je leest het goed... slechts drie atomen.

Naast de experimentele moeilijkheid, was de berekening die Bahcall deed uitdagend en extreem gevoelig voor de kerntemperatuur van de zon. Een kleine, kleine verandering in de temperatuur van de zon veranderde de voorspelling van het aantal neutrino's dat geproduceerd zou moeten worden.

Andere experimenten bevestigden de discrepantie die Bahcall en Davis opmerkten, maar gezien de moeilijkheid van wat ze probeerden te doen, wist ik vrij zeker dat een van hen een fout had gemaakt. Zowel de berekening als de meting waren gewoon zo ongelooflijk moeilijk om af te halen. Maar ik zat fout.

Een andere discrepantie verbaasde onderzoekers. Neutrino's worden geproduceerd in de atmosfeer van de aarde wanneer kosmische stralen vanuit de ruimte de lucht inslaan die we allemaal inademen. Wetenschappers weten met groot vertrouwen dat wanneer dit gebeurt muon- en elektronneutrinos worden geproduceerd in een 2-op-1-verhouding. Maar toen deze neutrino's werden gemeten, werden muon- en elektronneutrinos gevonden in een 1-op-1-verhouding. Nogmaals, neutrino's verwarden natuurkundigen.

Het mysterie van neutrino's van de zon en van kosmische straling vanuit de ruimte werd opgelost in 1998, toen onderzoekers in Japan een enorme ondergrondse tank van 50.000 ton water gebruikten om de verhouding te bestuderen van muon en elektron-neutrino's in de atmosfeer 12 mijl boven de tank vergeleken met dezelfde verhouding die is gecreëerd aan de andere kant van de planeet, of ongeveer 8.000 mijl verderop. Door deze slimme aanpak te gebruiken, ontdekten ze dat de neutrino's tijdens het reizen hun identiteit veranderden. Bijvoorbeeld, in het Davis-Bahcall raadsel, veranderden elektronen neutrino's van de zon in de andere twee smaken. [Afbeeldingen: Inside the World's Top Physics Labs]

Dit fenomeen van neutrino's die smaken 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 hun identiteit steeds opnieuw uit. De verklaring van de neutrino-oscillatie werd bevestigd en verder verduidelijkt in 2001 door een experiment uitgevoerd in Sudbury, Ontario.

Als je dit verhaal duizelingwekkend hebt gevonden, zijn we nog maar net begonnen.In de loop der jaren hebben neutrino's tijdens Sweeps Week meer verrassingen gegenereerd dan een soapserie.

Met het fenomeen van neutrino-oscillatie vastgesteld, konden wetenschappers het bestuderen met behulp van deeltjesversnellers. Ze kunnen bundels neutrino's maken en bepalen hoe snel ze van de ene smaak naar de andere morphen. In feite is er een hele neutrino-oscillatie-industrie, met versnellers over de hele wereld die het fenomeen bestuderen. Het vlaggenschiplaboratorium voor neutrino-studies is mijn eigen Fermilab.

Een vierde smaak?

Een onderzoek in 2001 uitgevoerd in het Los Alamos laboratorium door een samenwerking genaamd LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) viel op. Hun meting paste niet in het geaccepteerde beeld van drie verschillende soorten neutrino's. Om hun resultaten zinvol te maken, moesten ze een vierde type neutrino veronderstellen. 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 de neutrino-oscillatie... de morphing van neutrino-smaken. En het was waarschijnlijk zwaar, wat betekent dat het een ideale kandidaat voor donkere materie was.

Dus dat zou een koele observatie zijn, maar veel andere neutrino-experimenten waren het niet met hen eens. In feite was het LSND-resultaat een uitbijter - zo eigenaardig dat het meestal niet werd gebruikt in meta-analyses van neutrino-fysica.

En nu komen we bij de recente meting door het MiniBooNE-experiment bij Fermilab. De naam komt van "BOOster Neutrino Experiment." Het maakt gebruik van een van de Fermilab-versnellers, de Booster genaamd, om neutrino's te maken. De "Mini" komt van het feit dat toen het werd gebouwd, een groter vervolg op het experiment was gepland.

MiniBooNE-wetenschappers ontdekten dat hun gegevens de LSND-meting daadwerkelijk ondersteunden en, bovendien, als ze hun gegevens combineren met de LSND-gegevens, is de statistische sterkte van de meting sterk genoeg om een ​​ontdekking te claimen... mogelijk van steriele neutrino's.

Maar dan is er het feit dat veel andere experimenten heel oneens zijn met het LSND (en nu MiniBooNE) experiment. Wat is daar aan de hand?

Welnu, dat is, zoals ze zeggen, een goede vraag. Het kan zijn dat de onderzoekers van LSND en MiniBooNE simpelweg iets hebben gevonden dat de andere experimenten hebben gemist. 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 anderen 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 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 op een paar of vele honderden kilometers afstand bevinden. Misschien vindt de belangrijke oscillatie snel plaats, dus een close detector is cruciaal.

Het probleem wordt gecompliceerd door het feit dat de LSND- en MiniBooNE-samenwerkingsverbanden, hoewel ze meer dan een decennium van elkaar zijn gescheiden, een aantal van dezelfde personen omvatten. Het blijft dus mogelijk dat ze dezelfde fout herhalen. Of misschien dezelfde schittering vertonen. Het is moeilijk om zeker te zijn.

Dus, hoe lossen we dit op? Hoe weten we wie gelijk heeft? Welnu, dit is wetenschap en in de wetenschap winnen meting en replicatie het argument.

En dit is goed nieuws. Gegeven dat Fermilab ervoor heeft gekozen om zijn vermogen om neutrino's te bestuderen te ontwikkelen, zijn niet één, maar drie verschillende neutrino-experimenten operationeel of in aanbouw, met korte afstanden tussen het creatie- en detectiepunt van neutrino's. De ene heet MicroBooNE (een kleinere versie van MiniBooNE en met verschillende technologie), de andere is ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) en de derde is SBN (Short Baseline Neutrino). Al deze experimenten zijn veel beter dan MiniBooNE en LSND op het gebied van technische mogelijkheden, en dus hopen onderzoekers dat ze op het tijdschema van een paar jaar definitieve uitspraken doen over het onderwerp steriele neutrino's.

Dus, wat zal het laatste 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 een deel van verrassingen en ruzies. Ik ben er vrij zeker van dat zelfs Sherlock Holmes in de war zou zijn.

Oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.

Don Lincoln heeft dit artikel aan WordsSideKick.com's bijgedragen Expertvoices: Op-Ed & Insights.


Video Supplement: 192nd Knowledge Seekers Workshop - Oct 5, 2017.




Onderzoek


'Onzichtbaarheid' Cloak Kan Dingen Verbergen Voor Sonar
'Onzichtbaarheid' Cloak Kan Dingen Verbergen Voor Sonar

Fusion Springt Vooruit: Overtreft Belangrijke Break-Even Doel
Fusion Springt Vooruit: Overtreft Belangrijke Break-Even Doel

Science Nieuws


Hookups Trend Down: Millennial Sex Lives Lag Behind Gen X
Hookups Trend Down: Millennial Sex Lives Lag Behind Gen X

Chaco Culture: Pueblo Builders Of The Southwest
Chaco Culture: Pueblo Builders Of The Southwest

Verandering Van Levensstijl Kan Veroudering In Cellen Omkeren
Verandering Van Levensstijl Kan Veroudering In Cellen Omkeren

Een Half Miljoen Easter Toys Werd Opgevraagd Voor Risico Voor Kinderen
Een Half Miljoen Easter Toys Werd Opgevraagd Voor Risico Voor Kinderen

Met Studie Van Asbest Nemen Geologen Het Belangrijkste Gezondheidsprobleem Aan
Met Studie Van Asbest Nemen Geologen Het Belangrijkste Gezondheidsprobleem Aan


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com