Elementarpartikelfysik


Håkan Snellman



5. Neutrinooscillationer

I juni 1998 meddelades officiellt att man vid SuperKamiokande-laboratoriet i Kamioka, Japan, påvisat att neutrinerna har massa.

Vad man i själva verket gjort är att studera förhållandet mellan antalet myneutriner och antalet elektronneutriner, som produceras på ca 15 km höjd uppe i atmosfären av den kosmiska strålningen. När protonerna i den kosmiska strålningen kolliderar med luftens molekyler, bildas pimesoner som sönderfaller till och myoner och antimyneutriner. Myonerna sönderfaller sedan i myneutriner, elektroner och antielektronneutriner. Dessa sönderfallskedjor är symmetriska vad beträffar partiklar och antipartiklar. Vi är i själva verket omgivna av ett "sfäriskt skal" av sådan neutrinostrålning från atmosfären.

Vid låga energier, då hela sönderfallskedjan kan fullbordas, bör förhållande mellan my- och elektronneutriner vara 2:1. Vid högre energier, i GeV området, hinner myonerna (respektive antimyon- erna) inte sönderfalla innan de når jorden, varför antalet elektron- neutriner minskar och förhållandet går upp.

I Super- Kamiokande har man mätt detta förhållande och jämfört det med vad man förväntar vid olika energier. Man fann då att förhåll- andet bara var 65% av det förvän- tade. Detta kan bero antingen på att antalet elektron- neutriner är större än man beräknat, eller på att antalet myneutriner är mindre. Oavsett vilket bör detta förhållande vara detsamma om neutrinerna går genom jorden eller om de kommer direkt uppifrån atmosfären. I SuperKamiokande kan man skilja på elektronneutriner och myneutriner. Genom att mäta förhållandet mellan de neutriner som kommer uppifrån och de som kommer nerifrån, har man påvisat att det är antalet myneutriner som är problemet. Det kommer för få myneutriner nerifrån jämfört med uppifrån, bara ca 54%. Antalet elektronneutriner är däremot detsamma i bägge riktningar. Detta kan inte förklaras genom absorption i jorden, vilket är en försumbar effekt. I stället antyder det att ny fysik krävs: neutrinerna oscillerar mellan sina aromer,, och , vilket betyder att de har massa!

I standardmodellen för kvarkarna och leptonerna har neutrinerna ingen massa, och några oscillationer förekommer inte. Om neutrinerna däremot har massa, kan de oscillera mellan sina aromtillstånd, och man kan förklara minskningen av myneutriner genom jorden som förorsakad av denna oscillation. Neutrinerna uppifrån färdas inte lika långt från produktionsplatsen till detektorn och hinner därför inte förändra sin aromkaraktär. Eftersom ingen effekt har uppmätts för elektronneutrinerna drar man slutsatsen att myneutrinerna huvudsakligen inte oscillerar till dessa, utan antingen till tauneutriner eller också till en ny typ av neutriner, s.k. sterila neutriner.

Neutrinooscillationer kan också vara förklaringen till att man uppmäter alltför få (elektron)neutriner från solen. Detta brukar kallas "solneutrinoproblemet" och har varit aktuellt i ca 30 år. SuperKamiokande (liksom tidigare det mindre Kamiokande-experimentet) har också här bidragit med ny kunskap. Eftersom detektorn, förutom att bestämma aromen, också kan mäta både energin och riktningen hos neutrinerna från solen, kan man studera detta problem i mycket större detalj än tidigare, då man varit hänvisad till radiokemiska metoder vid neutrinodetektionen. Med sådana metoder kan man nämligen inte avgöra från vilket håll neutrinerna kommer och inte heller vilken energi de har, så snart de kommit över en viss tröskelenergi.

I SuperKamiokande , som är en vatten-Cherenkovdetektor, kan man alltså rekonstruera solneutrinernas riktning och visa att de kommer från solen och att solen "lyser" med neutriner på detektorn både dag och natt (genom jorden). Det är ju trevligt eftersom detektorn står i en gammal gruva 1,5 km under berget dit inget solljus når, vare sig på dagen eller på natten!

Ett tredje experi- ment har gjorts i Los Alamos, där man via pimesonsönderfall producerat myneutriner med en accelerator. Efter 30 m mätte man andelen elektron- neutriner i strålen och fann att den innehöll ca 0,3% neutriner av detta aromslag. Resultatet har dock inte kunnat reproduceras i ett liknande experiment vid Rutherfordlaboratoriet i England. Där har man en anläggning med 17 ms strålgång, men inga elektronneutriner har kunnat detekterats i myneutrino-strålen.

Neutrinooscillationerna beror på att neutrinerna, via emission eller absorption av W-bosoner, produceras i egentillstånd till aromtalet. Aromtillstånden, som är de vilka då definitionsmässigt produceras, är superpositioner av olika mass-egentillstånd hos neutrinerna. Neutrinooscillationer blandar alltså "familjerna" (generationerna) med varandra. Det betyder att de individuella leptontalen Li inte är bevarade. Bara den totala summan Le + + är bevarad.

Oscillationsfenomenet uppkommer som en sorts "svävningar" mellan aromslagen, liknande svävningarna mellan två närliggande toner, men är ett genuint kvantmekaniskt interferensfenomen.

Denna effekt beror dels på att neutrinerna har massor - och olika massor, annars uppkommer fenomenet inte - men att dessa massor samtidigt är mycket små i förhållande till neutrinernas relativistiska rörelsemängder. Detta leder till att masskomponenterna fortplantar sig med litet olika energi. Energiskillnaden mellan två komponenter är proportionell mot de respektive neutrinokomponenternas kvadratiska mass-skillnad.

Eftersom neutrinerna rör sig med hastigheter nära ljusets, är den sträcka de går proportionell mot den tid under vilken de fortplantar sig. Tiden för en svävning, eller en oscillation, kan då i stället anges som en oscillationslängd. Denna längd är proportionell mot neutrinernas energi och omvänt proportionell mot deras mass-skillnad. Skalan ges av deras inverterade massmedelvärde. Experimenten är därför känsliga för olika massor och mass-skillnader beroende på neutrinernas energi när de produceras och på avståndet mellan detektor och produktionsplats. Om t.ex. mass-skillnaden är stor och oscillationslängden därigenom liten, kommer man inte att kunna detektera oscillationer, utan bara medelvärdena över dessa.

I närvaro av materia kan elektronneutriner också undergå oscillationer. Det sker genom att spridning av neutrinerna i materien förorsakar en förändring av deras energier. Ingen sådan effekt har dock påvisats vid neutrinernas passage genom jorden. Det är dock i princip möjligt att tolka minskningen av antalet solneutriner som härrörande från denna mekanism.

Det förefaller som om man för närvarande kan förklara alla tre experimenten med tre neutrinomassor, i överensstämmelse med att vi har tre leptonaromer. Något behov av sterila neutriner finns alltså ännu inte.

Att neutrinerna har massa - och en massa som är mycket liten i förhållande till andra partiklars massor - pekar i nästan alla försök att utvidga standardmodellen mot att det finns en ny mass-skala vid ca 1015 GeV. Kanske ser vi i detta en antydan till en storförenad teori!


Länkar till neutrinofysik:

John Bahcalls hemsida. Innehåller mängder med intressant information, framför allt om solneutrinoproblemet, som han arbetat med i mer än 30 år!

J. Peltoniemis "ultimativa hemsida för neutriner"

SuperKamiokande

Om solneutrinoproblemet med bl.a. radiokemiska metoder.

Neutrinohistoria


Tillbaks till

1. Inledning

2. Baryon- och leptontal

3. Hadronfysik

4. Symmetrier

Vidare till

6. Framtidsperspektiv