I en galax inte långt från Vintergatan brinner en jättestjärna ut och exploderar i en supernova. Från den döda stjärnans kärna skickas det ut omkring 10⁵⁷ neutriner – en etta följd av 57 nollor.
De spöklika elementarpartiklarna sprids i alla riktningar i universum – och just nu passerar några av dem rakt igenom dig.
I solsystemet myllrar det av neutriner, som oavbrutet bildas i kärnreaktionerna i stjärnorna. Trots det är neutrinerna i det närmaste omöjliga att upptäcka, för majoriteten far rakt igenom stjärnor, planeter och annan materia som de möter på sin väg.
Men djupt nere i ett berg i Japan är forskare nu i färd med att sätta upp en neutrinofälla. Där gräver ingenjörer och byggnadsarbetare ett utrymme för Hyper-Kamiokande, en 60 meter hög vattentank, som ska fyllas upp med 258 miljoner liter ultrarent vatten för att fånga upp de extremt sällsynta kollisionerna mellan neutriner och vattenmolekyler.
Ljussken avslöjar svårfångade partiklar
I en gammal zinkgruva i det japanska berget Nijugoyama är man i full färd med att gräva ut plats för neutrinodetektorn Hyper-Kamiokande. Detektorn får en 60 meter hög, cylindrisk vattentank med en diameter på 74 meter. Små ljussken i vattnet ska avslöja om någon neutrino går i fällan, varpå forskarna kan avgöra vilken typ av neutrino det är samt var den kommer ifrån.
Tanken gjuts i utgrävd jättegrotta
När grottan har grävts ut 650 meter ned i berget täcks den råa bergväggen med betong, som armeras med ett nät av stålstänger. Ett extra lager betong putsas upp och kläs med ett vattentätt lager av polyetenplast. På tankens alla ytor monteras ljusdetektorer som ska fånga upp ljussken från neutriner.
Detektorn fylls med ultrarent vatten
Tanken fylls upp med 258 miljoner liter vatten. Först passerar det en reningsanläggning för att bli så rent att ljussken lättare kan tränga igenom det. Vattnet pumpas igenom mycket fina filter och rensas på salt med filtreringstekniken omvänd osmos. Till sist avlägsnas mikroskopiska luftbubblor.
Kollision ger karaktäristisk ljuskägla
När en neutrino, eller en antineutrino, krockar med en atomkärna, så uppkommer en elektriskt laddad partikel – en elektron-, myon- eller taupartikel – som far genom vattnet i hög hastighet. På sin färd sänder partikeln ut ett svagt, blåaktigt ljus, så kallad tjerenkovstrålning, som sprids i formen av en kägla.
Ljussken fångas upp av sensorer
40 000 ultrakänsliga ljussensorer omger vattnet på alla sidor. Elektroniken i de runda sensorerna, som alla har en diameter på 50 centimeter, förvandlar även det minsta ljussken till en mätbar elektrisk signal. En analys av signalerna avslöjar vilken sorts neutrino som har orsakat ljusskenet.
En lika imponerande neutrinodetektor är under konstruktion en och en halv kilometer ned i en gammal guldgruva i den amerikanska delstaten South Dakota.
Detektorn DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment – ska inte använda vatten, utan i stället 68 000 ton av ädelgasen argon i flytande tillstånd, som måltavla för de små partiklarna.
Tillsammans ska de två detektorerna försöka lösa en av fysikens allra största gåtor: Varför finns det materia i universum?
Enligt de fysiska teorierna borde materia och antimateria nämligen har eliminerat varandra i universums begynnelse – men de undvikande neutrinerna innehåller kanske svaret på varför stjärnor, planeter och människor existerar.
Materien vann över antimaterien
Albert Einstein upptäckte att materia och energi är två sidor av samma sak. Energi kan förvandlas till materia och tvärtom, enligt den kända ekvationen E = mc² – i vilken E är energi, m står för massa och c är ljusets hastighet.
Vid universums början fanns det rikligt med energi som kunde bilda materia. Problemet är bara att fysikens lagar dikterar att varenda materiepartikel som uppkom i tidernas begynnelse åtföljdes av en partikel av antimateria.
Fysikerna är eniga om att det till varje partikel hör en antipartikel med samma massa, men motsatt laddning, och att det mycket tidigt i universums historia bildades lika mycket materia som antimateria.
Vi lever emellertid i ett universum som uppenbarligen är fullt av materia och bara försvinnande lite antimateria – exempelvis från vissa former av radioaktivt sönderfall – vilket är svårt att förklara.
När en partikel möter en antipartikel så försvinner båda två, vilket resulterar i energi i form av strålning. Egentligen borde alltså alla partiklar och antipartiklar ha försvunnit igen, eftersom det fanns lika många av dem från början.
Det finns tre olika typer av neutriner och de beter sig helt annorlunda än de 14 andra elementarpartiklarna i den så kallade standardmodellen.
Neutriner är fysikens rebeller
Enligt fysikernas teori finns det tolv olika materiepartiklar uppdelade i tre familjer. Därtill kommer fyra subatomära partiklar, som ansvarar för växelverkningar mellan materiepartiklarna, samt Higgspartikeln, som ger de olika partiklarna massa. Alla partiklarna i den så kallade standardmodellen har en tillhörande antipartikel.
Men neutrinerna gäckar fysikerna, för de passar inte riktigt in i standardmodellen. Enligt den är neutrinerna nämligen masslösa, vilket har visat sig vara felaktigt. Förutom att de har en massa, om än försvinnande liten, så kan de förvandla sig från en sorts neutrino till en annan. Det är ett trick som bara neutriner kan genomföra.
Av en eller annan anledning fick universum mer materia än antimateria. Genom att jämföra mängden strålning med mängden materia i universum har forskarna räknat ut att den kosmiska smältdegeln måste ha skapat 3 000 000 001 materiepartiklar för varje 3 000 000 000 antimateriepartiklar.
Detta minimala överskott av materia blev den avgörande skillnaden. Men för fysikerna är den stora frågan hur symmetrin bröts, så att materien vann striden över antimaterien.
Den frågan kan de båda nya neutrinodetektorerna hjälpa till att lösa genom nya kunskaper. Fysikerna tror nämligen att neutrinerna spelade en avgörande roll för materiens överlevnad, eftersom de spöklika partiklarna har visat sig ha en överraskande förmåga.
Partikel förvandlas
Neutriner finns i tre olika varianter, kallade elektronneutriner, myonneutriner och tauneutriner, men vad som är helt unikt för dem bland andra elementarpartiklar, är att de kan förvandla sig från den ena typen till den andra medan de är i farten.
Det upptäckte fysiker kring millennieskiftet – en upptäckt som gav japanen Takaaki Kajita och kanadensaren Arthur B. McDonald Nobelpriset i fysik år 2015.
Neutriner är naturens mini-förvandlingskulor, så att även om en supernova skickar ut exempelvis en elektronneutrino, kan det bli en myon- eller en tauneutrino som dyker upp i detektorn.
Neutriner sparkar ut elektroner ur flytande ädelgas
1. Partikelaccelerator skjuter i väg neutriner
Fermilab-partikelacceleratorn sätter fart på protoner och krossar dem mot ett mål av grafit. Resultatet blir en skur av nya partiklar, som bland annat sönderfaller till neutriner. Varje sekund skickas biljontals myonneutriner eller antimyonneutriner i riktning mot DUNE-detektorn.
2. Neutrinerna gör ett förvandlingsnummer
På vägen från Fermilab till DUNE-detektorn passerar neutrinerna genom 1300 kilometer av jordskorpan. Färden tar bara fyra tusendelar av en sekund, men det ger neutrinerna tillräckligt lång tid att förvandlas. En stor del av dem kommer att ha blivit till elektron- eller tauneutriner när de anländer.
3. Argon fungerar som neutrinofälla
Detektorn består av fyra kryostater, ett slags turbofrys stora som fyravåningsbyggnader, som var och en är fylld med 17 000 ton flytande argon. Varje gång en neutrino träffar en argonatom, så bildar kollisionen elektriskt laddade partiklar, som sliter loss elektroner från andra atomer.
4. Elektroner söker sig mot positiva elektroder
En spänningsskillnad får de negativt laddade elektronerna att söka sig mot kryostatens positiva elektroder. Deras antal och riktning avslöjar vilken typ av neutrino det handlar om, och om fysikerna uppmäter fler neutriner än antineutriner, är de på god väg att förstå varför det finns materia.
Som alla andra partiklar har neutrinerna tillhörande antipartiklar, och de gör samma förvandlingsnummer. Men fysikerna misstänker att neutriner och antineutriner kanske inte förvandlas i riktigt samma takt.
Om de nya neutrinoexperimenten avslöjar att antineutriner inte bara är spegelbilder av neutriner, utan att de uppför sig en aning annorlunda, kan det kanske förklara universums överskott på materia.
Asymmetri mellan neutriner och antineutriner kommer nämligen att bekräfta en teori om att materiens seger över antimaterien beror på sönderfallet av några extremt tunga, neutrinoliknande partiklar i ett mycket tidigt skede av universum.
De tunga partiklarna existerar inte längre, men enligt teorin lämnade de det överskott av materia över antimateria, som vi nu återfinner i dagens universum. Genom neutrinerna kan vårt universum visa sig ha en förkärlek för materia inbyggd i naturlagarna.
Neutriner fångas i jättefrysar
Se hur DUNE-detektorn ska fånga neutriner i underjordiska jättefrysar och lösa gåtan om varför materia vann över antimateria.
Neutriner susar genom dig
Vid en första anblick tycks principen bakom neutrinoförsöken mycket enkel. Den kräver bara att forskare tar ett antal neutriner och en antal anitneutriner av en viss typ, skickar i väg dem och mäter om de förvandlas i samma takt när de förflyttar sig från en plats till en annan.
I praktiken är det emellertid inte alls enkelt att experimentera med neutriner. Partiklarna är ostyrliga och spökaktiga som mycket sällan påverkar annan materia.
Biljontals neutriner passerar faktiskt rakt igenom oss varje sekund, utan att vi lägger märke till det.
Eftersom de är extremt lätta – en neutrino väger mindre än en miljondel av en elektron – och inte har någon elektrisk laddning, är neutriner totalt omöjliga att upptäcka direkt.
I stället måste fysikerna titta efter de spår en neutrino lämnar efter sig, de sällsynta gånger den kolliderar med en kärnpartikel i en vanlig atom.
Vatten och argon är måltavla
Kollisionen mellan neutrinon och atomkärnan kan resultera i en partikel som fysikerna har större kunskaper om – exempelvis en elektron, som är lätt att följa. I Hyper-Kamiokande sker det genom att fånga upp det ljus elektronen sänder ut när den färdas genom vattnet, medan DUNE registrerar elektronerna med hjälp av elektroder. Genom att mäta elektronernas hastighet och riktning får forskarna kunskap om neutrinons egenskaper.
Eftersom neutriner växelverkar med atomer så otroligt sällan, gäller det att samla och övervaka extremt många atomer åt gången. Därför är neutrinodetektorerna så enormt stora. De 258 000 tonnen vatten i Hyper-Kamiokande och de 68 000 tonnen argon i DUNE fungerar som enorma måltavlor, som ökar chanserna för att en neutrino kolliderar med en atomkärna.
DUNE-detektorn innehåller nedkyld argon. Ädelgasen har 40 procent högre densitet än vatten och det ökar sannolikheten för att neutrinon brakar in i en av atomerna.
Luftens ädelgas görs flytande
Normalt är grundämnet argon en ädelgas, som utgör en procent av jordens atmosfär, men i DUNE-detektorn kyls gasen ned till minus 184 grader Celsius – ungefär som temperaturen på Saturnus – och vid så låga temperaturer blir argon flytande.
Fysikerna har valt argon, eftersom det i flytande form har 40 procent högre densitet än vatten och utgör ett bra mål för neutrinerna. Dessutom är det relativt billigt, just på grund av att det kan utvinnas ur luften.
Fysikerna bakom de två experimenten ska själva skapa en del av de neutriner som ska fångas in. Med hjälp av partikelacceleratorer ska de skicka biljoner och åter biljoner av antingen myonneutriner eller antimyonneutriner mot detektorerna.
På vägen dit kommer en del av dem att förvandlas till elektronneutriner, och då är den avgörande frågan hur många elektronneutriner detektorn fångar upp jämfört med antalet antielektronneutriner.
Försök visar övervikt av materia
Om det dyker upp ungefär lika många neutriner och antineutriner, måste fysikerna återvända till ritbordet, för då finns det ingen skillnad mellan neutriner och antineutriner, och forskarna måste hitta en annan förklaring till varför det finns materia i universum.
Om försöken däremot visar en betydande skillnad i den takt neutriner och antineutriner förvandlas, kommer det att innebära ett viktigt genombrott, för i så fall är fysikerna mycket närmare att kunna förklara varför universum ser ut som det gör.
Forskarna är förtröstansfulla, för nya resultat från detektorn Super-Kamiokande – en mindre version av Hyper-Kamiokande, som innehåller 50 miljoner liter vatten – är mycket lovande. I april 2020 kunde forskargruppen rapportera att detektorn efter tio år har fångat upp spår efter 90 elektronneutriner och bara 15 antielektronneutriner.
Hyper-Kamiokande kommer att påminna om dagens Super-Kamiokande (bilden), men blir fem gånger så stor.
De siffrorna ser övertygande ut, men eftersom de är så små är resultatet inte statistiskt säkerställt. Med andra ord kan det mycket väl ha passerat lika många neutriner som antineutriner genom vattentanken, även om forskarna har uppmätt en skillnad i antalet neutriner och antineutriner.
Därför behöver fysikerna fler och mer övertygande resultat, innan de med säkerhet vågar säga att neutriner uppför sig annorlunda än antineutriner.
Fysikerna går under jorden
De två nya jättedetektorerna i Japan och USA ska enligt planen stå redo att fånga neutriner 2027 respektive 2028. Samtidigt uppgraderas de partikelacceleratorer som ska mata detektorerna med neutriner.
I Japan levereras de artificiellt skapade neutrinerna av J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), som ligger 295 kilometer från Hyper-Kamiokande.
I USA kommer neutrinostrålen från Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois hela 1300 kilometer från DUNE. Neutrinerna måste tillryggalägga alla dessa kilometer genom jordskorpan, så att de har tid att förvandlas på vägen.
Fyra frysboxar stora som fyravåningshus kyler ädelgasen argon i DUNE.
Detektorerna anläggs djupt under jorden för att skärmas av mot kosmisk strålning. Partiklar från rymden kan skapa kan ge upphov till en del av reaktionerna man väntar från neutrinerna, så om detektorerna placeras vid jordytan riskerar de att fånga upp en massa falska signaler.
Därför byggs DUNE i förbindelse med ett gammalt gruvschakt en och en halv kilometer under jordytan, medan Hyper-Kamiokande placeras 650 meter ned i ett bergsmassiv.
Byggandet av de båda stora, underjordiska anläggningarna är extremt krävande. Bara arbetet med att borra tillgångstunnlar och gräva ut den 340 000 kubikmeter stora grottan som ska hysa Hyper-Kamiokande tar fyra år.
Därefter tar det två och ett halvt år att uppföra själva tanken med tillhörande mätutrustning, och till sist kommer det att ta ett halvår att fylla vattentanken med lokalt källvatten. Vattnet ska dessutom passera ett vattenreningssystem, eftersom det måste vara helt klart för att ljusskenen från kollisionerna mellan neutriner och atomer ska kunna tränga igenom det och fångas upp av ljusdetektorerna på tankens ytor.
Enorm vattentank fångar partiklar
Följ med neutrinerna genom Hyper-Kamiokandes enorma vattentank och se hur detektorn fångar upp de flyktiga partiklarna.
I USA har det tagit fem år att renovera det 90 år gamla gruvschaktet och bland annat installera en ny hiss, men nu är arbetet med att gräva ut grottsystemet till detektorn i full gång.
870 000 ton berg måste hämtas upp genom schaktet innan försöksutrustningen kan skickas andra hållet ned i djupet.
Fyra avancerade frysboxar, så kallade kryostater – var och en stor som ett bostadshus med fyra våningar – ska därefter uppföras och fyllas med ädelgasen argon, som kyls ned till minus 184 grader, då den blir flytande.
Hyper-Kamiokande kommer att påminna om dagens Super-Kamiokande (bilden), men blir fem gånger så stor.
Även efter att försöken på Hyper-Kamiokande och DUNE har kommit i gång om sju–åtta år, måste forskarna stålsätta sig med ännu mer tålamod. Det kommer sannolikt att ta ytterligare ett årtionde eller mer, innan detektorerna har samlat in tillräckligt mycket data för att de ska kunna avgöra om neutriner är förklaringen till att materia har vunnit över antimateria.
Om det lyckas kommer vi sent omsider att få svaret på varför det finns någonting i stället för ingenting.