Nedgravet fryser skal gribe flyvsk partikel

Egentlig burde alt stof være blevet udslettet af antistof ved universets begyndelse. Nu søger forskerne svar på en af fysikkens største gåder dybt under jorden. To gigantiske detektorer i USA og Japan skal fange den gådefulde neutrinopartikel, der måske kan give svaret på, hvorfor vi eksisterer.

Egentlig burde alt stof være blevet udslettet af antistof ved universets begyndelse. Nu søger forskerne svar på en af fysikkens største gåder dybt under jorden. To gigantiske detektorer i USA og Japan skal fange den gådefulde neutrinopartikel, der måske kan give svaret på, hvorfor vi eksisterer.

Maximilien Brice/CERN

I en galakse ikke langt fra Mælkevejen brænder en kæmpestjerne ud og eksploderer som en supernova. Fra kernen af den døde stjerne udsendes i omegnen af 10⁵⁷ neutrinoer – et ettal efterfulgt af 57 nuller.

De spøgelsesagtige elementarpartikler breder sig ud i alle retninger af universet – og netop nu passerer nogle af dem lige igennem dig.

Solsystemet myldrer af neutrinoer, der konstant bliver dannet ved kernereaktionerne i stjernerne. Alligevel er neutrinoerne nærmest umulige at opdage, for langt størstedelen farer lige igennem stjerner, planeter og andet stof, de møder på deres vej.

Men dybt nede i et bjerg i Japan er forskere nu i gang med at sætte en neutrinofælde op. Her graver ingeniører og bygningsarbejdere ud til Hyper-Kamiokande, en 60 meter høj vandtank, der skal fyldes op med 258 millioner liter ultrarent vand for at opfange de uhyre sjældne sammenstød mellem neutrinoer og vandmolekyler.

En lige så imponerende neutrinodetektor er under konstruktion halvanden kilometer nede i en gammel guldmine i den amerikanske delstat South Dakota.

Detektoren DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment – skal ikke bruge vand, men i stedet 68.000 tons af ædelgassen argon i flydende tilstand som skydeskive for de bittesmå partikler.

Sammen skal de to detektorer forsøge at løse en af fysikkens allerstørste gåder: Hvorfor er der stof i universet?

Ifølge de fysiske teorier burde stof og antistof nemlig have elimineret hinanden ved universets begyndelse – men de undvigende neutrinoer rummer måske svaret på, hvorfor stjerner, planeter og mennesker eksisterer.

Stoffet vandt over antistoffet

Albert Einstein opdagede, at stof og energi er to sider af samme sag. Energi kan forvandles til stof og omvendt ifølge den berømte ligning E = mc², hvor E er energi, m står for masse, og c er lysets hastighed.

Ved universets begyndelse var der rigeligt med energi, som der kunne dannes stof af. Problemet er bare, at fysikkens love dikterer, at hver eneste stofpartikel, der opstod i tidernes morgen, blev ledsaget af en partikel af antistof.

Fysikerne er enige om, at der til enhver partikel hører en antipartikel med den samme masse, men modsat ladning, og at der meget tidligt i universets historie blev dannet lige meget stof og antistof.

Vi lever imidlertid i et univers, der tydeligvis er fyldt med stof og kun byder på uhyre lidt antistof – eksempelvis fra visse former for radioaktive henfald – og det er svært at forklare.

Når en partikel møder en antipartikel, forsvinder begge dele, og resultatet er energi i form af stråling. Så egentlig burde alle partikler og antipartikler være forduftet igen, når der nu var lige mange af dem fra begyndelsen.

Der findes tre slags neutrinoer, og de opfører sig helt anderledes end de andre 14 elementarpartikler i den såkaldte standardmodel.

© Lasse Alexander Lund-Andersen

Neutrinoer er fysikkens særlinge

Ifølge fysikernes teori findes der 12 forskellige stofpartikler delt op i tre familier. Dertil kommer fire kraftpartikler, der sørger for vekselvirkninger mellem stofpartiklerne, samt higgspartiklen, som giver de forskellige partikler masse. Alle partiklerne i den såkaldte standardmodel har en tilhørende antipartikel.

Men neutrinoerne driller fysikerne, for de passer ikke rigtig ind i standardmodellen. Den siger nemlig, at neutrinoer er masseløse, men det har vist sig at være forkert. Ikke alene har de en masse, som blot er forsvindende lille, de er også i stand til at forvandle sig fra én slags neutrino til en anden. Det trick kan kun neutrinoer udføre.

Af en eller anden grund endte universet med mere stof end antistof. Ved at sammenligne mængden af stråling med mængden af stof i universet har forskerne regnet sig frem til, at den kosmiske smeltedigel må have skabt 3.000.000.001 stofpartikler for hver gang, den skabte 3.000.000.000 antistofpartikler.

Dette ganske lille overskud af stof frem for antistof gjorde den altafgørende forskel. Men for fysikerne er det store spørgsmål, hvordan symmetrien blev brudt, så stoffet vandt kampen over antistoffet.

Her kan de to nye neutrinodetektorer give afgørende ny viden. Fysikerne tror nemlig, at neutrinoer spillede en afgørende rolle for stoffets overlevelse, fordi de spøgelsesagtige partikler har vist sig at have en overraskende evne.

Partikel forvandler sig

Neutrinoer findes i tre forskellige varianter kaldet elektron-neutrinoer, myon-neutrinoer og tau-neutrinoer, men som noget helt unikt blandt elementarpartikler formår neutrinoer at forvandle sig fra den ene type til den anden, mens de er på farten.

Det fandt fysikere ud af omkring årtusindskiftet – en opdagelse, der gav japaneren Takaaki Kajita og canadieren Arthur B. McDonald Nobelprisen i fysik i 2015.

Neutrinoer er naturens bittesmå forvandlingskugler, så selvom en supernova fx udsender en elektron-neutrino, kan det være en myon-neutrino eller en tau-neutrino, der dukker op i detektoren.

Det amerikanske neutrinoeksperiment DUNE skal måle neutrinoer, der skydes afsted fra Fermilab-partikelacceleratoren i Illinois og opfanges af detektoren 1300 km væk, i South Dakota. Detektoren er fyldt op med nedkølet, flydende argon i et elektrisk felt, der fungerer som skydeskive for neutrinoerne.

© Claus Lunau

1. Partikelaccelerator skyder neutrinoer afsted

Fermilab-partikelacceleratoren bringer protoner op i fart og smadrer dem ind i et mål af grafit. Resultatet er en byge af nye partikler, der blandt andet henfalder til neutrinoer. Hvert sekund sendes billioner af myon-neutrinoer eller antimyon-neutrinoer i retning af DUNE-detektoren.

© Claus Lunau

2. Neutrinoerne laver et forvandlingsnummer

Undervejs fra Fermilab til DUNE-detektoren passerer neutrinoerne igennem 1300 km af jordskorpen. Turen tager kun fire tusindedele af et sekund, men det giver neutrinoerne tid nok til at forvandle sig. En stor del af dem vil være blevet til elektron- eller tau-neutrinoer, når de ankommer.

© Claus Lunau

3. Argon fungerer som neutrinofælde

Detektoren består af fire kryostater, en slags turbodybfrysere på størrelse med fireetagers bygninger, der hver er fyldt op med 17.000 tons flydende argon. Hver gang en neutrino rammer et argonatom, danner sammenstødet elektrisk ladede partikler, som river elektroner fri fra andre atomer.

© Claus Lunau

4. Elektroner søger mod positive elektroder

En spændingsforskel får de negativt ladede elektroner til at søge mod kryostatens positive elektroder. Deres antal og retning afslører, hvilken type neutrino der var tale om, og hvis fysikerne måler flere neutrinoer end antineutrinoer, er de på vej til at forstå, hvorfor der findes stof.

Som alle andre partikler har neutrinoerne tilhørende antipartikler, og de laver samme forvandlingsnummer. Men fysikerne har en mistanke om, at neutrinoer og antineutrinoer måske ikke forvandler sig i helt samme takt.

Hvis de nye neutrinoeksperimenter afslører, at antineutrinoer ikke blot er spejlbilleder af neutrinoer, men opfører sig en lille smule anderledes, kan det måske forklare universets overskud af stof.

Asymmetri mellem neutrinoer og antineutrinoer vil nemlig bekræfte en teori om, at stoffets sejr over antistoffet skyldtes henfaldet af nogle ekstremt tunge, neutrinolignende partikler i det meget tidlige univers.

De tunge partikler eksisterer ikke længere, men ifølge teorien efterlod de det overskud af stof frem for antistof, som vi kan genfinde i nutidens univers. Gennem neutrinoerne kan vores univers vise sig at have en forkærlighed for stof indbygget i naturlovene.

Neutrinoer fanges i kæmpefrysere

Neutrinoer suser igennem dig

Umiddelbart lyder princippet bag neutrinoforsøgene meget enkelt. Det kræver blot, at forskere tager et antal neutrinoer og et antal antineutrinoer af en bestemt type, sender dem afsted og måler, om de forvandler sig i samme takt, når de bevæger sig fra ét sted til et andet.

I praksis er det imidlertid ikke spor nemt at eksperimentere med neutrinoer. De er nogle ustyrlige og spøgelsesagtige partikler, der kun uhyre sjældent påvirker andet stof.

Faktisk passerer billioner af neutrinoer lige igennem os hvert eneste sekund, uden at vi lægger mærke til det.

Fordi de er ekstremt lette – en neutrino vejer mindre end en milliontedel af en elektron – og ikke har nogen elektrisk ladning, er neutrinoer fuldstændig umulige at detektere direkte.

I stedet må fysikerne kigge efter de spor, en neutrino efterlader, når den en sjælden gang imellem kolliderer med en kernepartikel i et almindeligt atom.

Vand og argon er skydeskiven

Sammenstødet mellem neutrinoen og atomkernen kan resultere i en partikel, som fysikerne har bedre kendskab til – fx en elektron, der er nem at følge. I Hyper-Kamiokande sker det ved at opfange det lys, elektronen udsender, når den farer gennem vandet, mens DUNE registrerer elektronerne ved hjælp af elektroder. Ved at måle elektronernes fart og retning kan forskerne få viden om neutrinoens egenskaber.

Fordi neutrinoer vekselvirker med atomer så uhyre sjældent, gælder det om at samle og overvåge ekstremt mange atomer ad gangen. Derfor er neutrinodetektorerne så enorme. De 258.000 tons vand i Hyper-Kamiokande og de 68.000 tons argon i DUNE fungerer som enorme skydeskiver, der øger chancerne for, at en neutrino kolliderer med en atomkerne.

DUNE-detektoren indeholder nedkølet argon. Ædelgassen har 40 procent højere tæthed end vand, og det øger sandsynligheden for, at en neutrino brager ind i et af atomerne.

© Fermilab

Luftens ædelgas gøres flydende

Normalt er grundstoffet argon en ædelgas, som udgør en procent af Jordens atmosfære, men i DUNE-detektoren nedkøles gassen til minus 184 grader celsius – omtrent som temperaturen på Saturn – og ved så lave temperaturer bliver argon flydende.

Fysikerne har valgt argon, fordi det i flydende form er 40 procent tættere end vand og udgør et godt mål for neutrinoerne. Desuden er det relativt billigt, netop fordi det kan udvindes af luften.

Fysikerne bag de to eksperimenter vil selv skabe en del af de neutrinoer, som skal fanges. Ved hjælp af partikelacceleratorer vil de sende billioner og atter billioner af enten myon-neutrinoer eller antimyon-neutrinoer mod detektorerne.

Undervejs dertil vil en del af dem forvandle sig til elektron-neutrinoer, og det afgørende spørgsmål er så, hvor mange elektron-neutrinoer detektoren opfanger i forhold til antielektron-neutrinoer.

Forsøg viser overvægt af stof

Hvis der dukker omtrent lige mange neutrinoer og antineutrinoer op, må fysikerne tilbage til tegnebrættet, for så er der ingen forskel på neutrinoer og antineutrinoer, og forskerne må finde en anden forklaring på, hvorfor der findes stof i universet.

Men hvis forsøgene omvendt viser en betydelig forskel på den takt, neutrinoer og antineutrinoer forvandler sig i, vil det være et afgørende gennembrud, for så er fysikerne meget tættere på at kunne forklare, hvorfor universet ser ud, som det gør.

Forskerne er fortrøstningsfulde, for nye resultater fra detektoren Super-Kamiokande – en mindre version af Hyper-Kamiokande, der indeholder 50 millioner liter vand – er ganske lovende. I april 2020 kunne forskerholdet rapportere, at detektoren efter ti år har fanget spor efter 90 elektron-neutrinoer og kun 15 antielektron-neutrinoer.

Hyper-Kamiokande kommer til at ligne den nuværende Super-Kamiokande (billedet), men bliver fem gange så stor.

© Kamioka Observatory/ICRR/Univ. of Tokyo

Umiddelbart ser tallene overbevisende ud, men fordi de er så små, er resultatet ikke statistisk signifikant. Med andre ord kan der godt være passeret lige mange neutrinoer og antineutrinoer igennem vandtanken, selvom forskerne målte en forskel på antallet af neutrinoer og antineutrinoer.

Fysikerne har derfor brug for flere og mere overbevisende resultater, før de med sikkerhed tør sige, at neutrinoer opfører sig anderledes end antineutrinoer.

Fysikerne går under jorden

De to nye gigantdetektorer i Japan og USA skal efter planen stå klar til at opfange neutrinoer i henholdsvis 2027 og 2028. Samtidig opgraderes de partikelacceleratorer, der skal fodre detektorerne med neutrinoer.

I Japan leveres de kunstigt skabte neutrinoer af J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), som ligger 295 km fra Hyper-Kamiokande.

I USA kommer neutrinostrålen fra Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois hele 1300 km fra DUNE. Neutrinoerne skal tilbagelægge de mange kilometer gennem jordskorpen, så de har tid til at forvandle sig undervejs.

Fire dybfrysere på størrelse med fireetagers huse køler ædelgassen argon i DUNE.

Detektorerne anlægges dybt under jorden for at skærme mod kosmisk stråling. Partikler fra rummet kan skabe nogle af de samme reaktioner som neutrinoerne, så hvis detektorerne blev placeret ved jordoverfladen, ville de opfange en masse falske signaler.

Derfor bygges DUNE i forbindelse med en gammel mineskakt halvanden kilometer under jordoverfladen, mens Hyper-Kamiokande får 650 meter bjergmassiv over sig.

Konstruktionen af de to store, underjordiske anlæg er ekstremt krævende. Alene arbejdet med at bore adgangstunneller og udgrave den 340.000 kubikmeter store grotte, som skal huse Hyper-Kamiokande, tager fire år.

Derefter går der to et halvt år med at opføre selve tanken med det tilhørende måleudstyr, og til sidst vil det tage et halvt år at fylde vandtanken med lokalt kildevand. Vandet skal desuden igennem et vandrensningssystem, fordi det skal være helt klart, for at lysglimtene fra sammenstød mellem neutrinoer og atomer kan trænge igennem det og opfanges af lysdetektorerne på tankens overflader.

Enorm vandtank fanger partikler

I USA har det taget fem år at renovere den 90 år gamle mineskakt og blandt andet installere en ny elevator, men nu er arbejdet med at udgrave grottesystemet til detektoren i fuld gang.

870.000 tons klippe skal hentes op gennem skakten, før forsøgsudstyret kan sendes den anden vej ned i dybet.

Fire avancerede dybfrysere, såkaldte kryostater – hver på størrelse med en fireetagers boligblok – skal derefter opføres og fyldes med ædelgassen argon, der køles ned til minus 184 grader, hvor den bliver flydende.

870.000 tons klippe skal graves ud for at gøre plads til DUNE-­detektoren i en nedlagt mine.

© Matthew Kapust/Sanford Underground Research Facility

Når først forsøgene på Hyper-Kamiokande og DUNE er i gang om syv-otte år, skal forskerne væbne sig med endnu mere tålmodighed. Der kommer sandsynligvis til at gå yderligere et årti eller mere, før detektorerne har indsamlet data nok til at afgøre, om neutrinoer er forklaringen på, at stof har vundet over antistof.

Hvis det lykkes, vil vi langt om længe få svaret på, hvorfor der findes noget i stedet for intet.