Jump to content
Annons

Den allmänna snacktråden, 2011 del 4


Björn Olsberg

Recommended Posts

Annons

Det där kan inte vara Tranströmer. Är det Bruno K Öijer?

Det här är tranströmmer.

När han kom ner på gatan

efter kärleksmötet

virvlade snö i luften.

Vintern hade kommit

medan de låg hos varann.

Natten lyste vit.

Han gick fort av glädje.

Hela staden sluttade.

Förbipasserande leenden -

alla log bakom uppfällda

kragar. Det var fritt!

Och alla frågetecken

började sjunga om

Guds tillvaro.

Så tyckte han.

En musik gjorde sig

lös och gick i yrande

snö med långa steg.

Allting på vandring

mot ton C.

En darrande kompass

mot ton C.

En timme ovanför

plågorna.

Det var lätt!

Alla log bakom

uppfällda kragar.

Link to comment
Dela på andra sajter

Version 24/4/02

1

Neutriner som budbärare från KOSMOS

En nästan masslös partikel som kan penetrera ljusår av materia utan att stoppas, vars

existens postulerades för att lösa en energikris på 1930-talet och först detekterades

tjugofem år senare kommer kanske att hjälpa oss att lösa några av de stora

mysterierna inom fysiken i dag. Neutrinopartikeln har med sina märkliga egenskaper

förundrat oss sedan Wolfgang Pauli tvingades att införa den för att bevara energin i

betasönderfall. Denna artikel behandlar det nya forskningsområdet

neutrinoastronomi där man utnyttjar neutrinopartikelns unika egenskaper för att lära

sig mer om universum samtidigt som man använder universum för att lära sig mer om

elementarpartiklarna.

Inledning

Hittills har man studerat universum enbart med hjälp av den elektromagnetiska

strålningen. Med hjälp av det synliga ljuset har man sedan urminnes tid observerat

stjärnorna på kvällshimlen. Under nittonhundratalet har man kunnat utvidga

våglängdsområdet till bl.a. radiovågor, röntgenstrålning och gammastrålning. Varje

nytt område har avslöjat nya fenomen i universum som t.ex. galaxer med gigantiska

svarta hål, gammablixtar och pulsarer. Möjligheten att använda neutrinopartikeln för

att studera universum diskuterades redan på 1960-talet men det är först sedan några år

som det har visat sig möjligt att genomföra. Fördelen med att använda

neutrinopartikeln som informationsförmedlare är att den bildas vid de våldsammaste

processerna ute i universum, att den kan penetrerar stora mängder av materia utan att

absorberas samt att den är elektriskt neutral och ej påverkas av de magnetiska fält som

finns. Med hjälp av neutrinoteleskop kan man ytterligare en gång öppna ett helt nytt

fönster mot universum.

Denna artikel beskriver neutrinopartikelns unika egenskaper, detektionsmetoder, vår

hittills viktigaste neutrinokälla solen, solneutrinoproblemet, kosmiska neutrinokällor

och den nya neutrinoastronomin med de stora neutrinoteleskopen.

Neutrinopartikeln

Neutrinopartikeln postulerades av W. Pauli 1930 för att bevara energin i radioaktiva

betasönderfall i atomkärnor. Vid dessa sönderfall visade det sig att den uppmätta

energin efter sönderfallet inte var detsamma som moderkärnans energi. En del av

energin försvann och man ville ogärna överge principen om energins bevarande.

Genom att introducera en ny elektriskt neutral partikel som enbart växelverkade svagt

med materien kunde Pauli ”lösa” problemet. Neutrinon kom att spela en viktig roll i

utvecklingen av Fermis teori om svag växelverkan men den förblev en teoretisk

partikel till dess Clyde Cowan och Frederick Reines lyckades detektera den vid en av

Savannah River-reaktorerna i USA 1956. Det blev möjligt tack vare det enormt höga

neutrinoflödet från reaktorn. Frederick Reines fick nobelpriset 1995 för upptäckten

(Cowan avled 1974).

Den neutrino som Cowan och Reines detekterade var elektronneutrinon eller i själva

verket dess antipartikel. Elektronneutrinon är kopplad till elektronen och båda tillhör

de s.k. leptonerna inom partikelfysikens standardmodell. Ytterligare två neutriner och

Version 24/4/02

2

två laddade leptoner har hittats, den laddade myonen och myonneutrinon samt

tauonen och tauneutrinon vars postulerade existens konfirmerades så sent som år

2000.

Tillsammans med de sex kvarkarna bildar leptonerna materiepartiklarna i

partikelfysikens standardmodell. Man delar upp dessa i tre ”familjer” med en

neutrino, en laddad lepton och två kvarkar i varje.

n e

e-

u

d

Ê

Ë

Á

Á

Á

Á

ˆ

¯

˜

˜

˜

˜

n m

m-

c

s

Ê

Ë

Á

Á

Á

Á

ˆ

¯

˜

˜

˜

˜

nt

t -

t

b

Ê

Ë

Á

Á

Á

Á

ˆ

¯

˜

˜

˜

˜

Vi har obs†er verat tre olika typer av neutriner. Finns det flera?

På CERN har man vid LEP-acceleratorn studerat produktionen av Z0 -partikeln vid

elektron-positronkollisioner. Z0 -partikeln sönderfaller till alla kända

elementarpartiklar förutom top-kvarken (vilken är för tung). Alla partiklar som har en

massa som är mindre än halva Z0 -massan (45 GeV/c2 ) produceras vid dess sönderfall.

Antalet neutrinotyper med en massa mindre än 45 GeV/c2 har bestämts till

Nn = 2,993± 0,011

i perfekt överensstämmelse med antalet kända neutriner.

Neutrinomassor

I den mycket lyckade Standardmodellen för mikrokosmos vilken beskriver

kvarkarnas, leptonernas och kraftbärarnas värld har neutrinopartiklarna ingen massa.

Man har ansatt att de är masslösa. Direkta mätningar av de olika neutrinomassorna

har hittills enbart resulterat i övre gränser. Elektronneutrinons massa försöker man

mäta med hjälp av det radioaktiva sönderfallet av tritium

3HÆ3He +n e + e-

Man mäter energin på elektronen i sönderfallet. Den svenske fysikern K. E. Bergkvist

var pionjär inom detta område. Om neutrinon har massa kommer elektronens

maximala energi att minska. Mätningarna har resulterat i en övre massgräns på

mn e < 2,2 eV /c2

För myonneutrinon använder man sig av sönderfallet av p-mesonen

Version 24/4/02

3

p - Æm- +n m

vilket har gett en övre gräns på

mn m <190 keV /c2

Gränsen för tauneutrinons massa kommer från sönderfallet

t - Æp + + p + + p - + p - + p - +nt

och är nu

mt <18,2 MeV /c2

Att massgränserna för myonneutrinon och tauneutrinon är så mycket sämre än den för

elektronneutrinon beror bl.a. på att de ingående partikelmassorna för de laddade

partiklarna inte är kända med tillräckligt hög precision.

Har neutrinerna massa?

Även om man inte har lyckats mäta massan på någon neutrinotyp med metoderna

ovan så innebär de observerade neutrinooscillationerna (se nedan) att neutrinerna inte

är masslösa.

Kosmologiska neutriner

Vi Big Bang omges idag av fotoner i vad vi kallar den kosmiska

mikrovågsbakgrunden. Dessa fotoner bildades ca 380000 år efter Big Bang då

temperaturen sjunkit så mycket att de fotoner som fanns inte längre kunde jonisera

atomerna (huvudsakligen väte och helium). Universum blev på en gång transparent

för dessa fotoner. Genom universums expansion under ca 14 miljarder år har

fotonerna nu kylts ner till 2,73 grader Kelvin motsvarande 2.3*10-4 eV. De utfyller

idag universum med ca 400 fotoner per kubikcentimeter. Studiet av

mikrovågsbakgrunden ger oss direkt information om ett universum då det endast var

380 000 år gammalt och forskningsområdet utgör idag ett fascinerande forskningsfält.

Nyligen publicerade resultat från WMAP-satelliten (Wilkinson Microwave

Anisotropy Probe) har gett en ålder på universum av 13,7 +- 0,2 miljarder år.

På liknande sätt fanns det en ”soppa” av neutriner, protoner, neutroner, elektroner,

positroner och fotoner kort efter Big Bang. I denna soppa skedde hela tiden

kollisioner mellan partiklarna, bl.a.

n i +n i Æe+ + e-

Ungefär en sekund efter Big Bang blev neutrinernas energi så låg att de inte längre

kunde producera elektron-positronpar. Neutrinerna kunde då inte längre deltaga i

Version 24/4/02

4

omvandlingen av partiklar utan förblev neutriner. Man säger att neutrinerna ”frös ut”.

Dessa neutriner finns idag kvar i universum på samma sätt som den

elektromagnetiska mikrovågsbakgrunden. Vi räknar med att det nu finns ca 300

neutriner och antineutriner per kubikcentimeter d.v.s. nästan lika många neutriner som

fotoner från mikrovågsbakgrunden. Energin på de kosmologiska neutrinerna borde

idag vara något lägre än motsvarande för mikrovågsbakgrunden (1.95 K motsvarande

1.7*10-4 eV). Dessa neutriner består av en blandning av de tre olika neutrinotyperna

ne, nm och nt samt deras antipartiklar.

Antalet kosmologiska neutriner kan jämföras med antalet protoner och neutroner som

i genomsnitt endast är ca en halv per kubikmeter i universum. Neutrinerna behöver

således inte ha mycket massa för att neutrinomassan i universum skall motsvara den

som finns i universums stjärnor och gasmoln.

Om neutrinon har en liten massa kommer den att påverka massfördelningen i

universum. Genom att studera hur fördelningen av galaxer i universum ser ut har man

kunnat sätta en övre gräns på summan av massan för alla neutrinotyperna

mn < 2,5 eV /c2

neutrinotyper

Â

en gräns som är bättre än de direkt mätta gränserna (se ovan).

Om man kunde observera de kosmologiska neutrinerna skulle man kunna studera ett

universum som endast vore någon sekund gammalt. Emellertid är energin på dessa

neutriner så låg att de är mycket svåra att observera. Man har idag ingen teknik för att

göra detta. Att studera dessa neutriner är den ultimata utmaningen inom

neutrinofysiken.

Neutrinoreaktioner

Neutrinopartiklarna växelverkar med materia huvudsakligen via den svaga

kärnkraften (gravitationella effekter kan normalt bortses ifrån).

Sannolikheten för att en neutrino skall reagera med en proton ges av den s.k. träffytan

vilken är proportionell mot energin på neutrinon (En). Detta gäller upp till en

neutrinoenergi på ca 10 TeV varefter ökningen antas gå som E0,4. Träffytan för

neutrinoreaktioner är otroligt liten. En elektronneutrino skapad i fusionsprocessen i

solen (energi på ca 1 MeV) kan passera ljusår av solitt bly innan den stoppas. Jorden

är transparent för neutriner med energier upp till 100 TeV. Därefter börjar jorden

absorbera neutrinerna på grund av den ökande träffytan. Vid energier på EeV (1018

eV) passerar inga neutriner genom jorden.

MARGINALFIGURER MED FEYNMANDIAGRAM!!!

Neutrinoreaktionerna sker via den svaga kraftens kraftförmedlare W+- och Z0 direkt på

kvarknivån. Det finns två typer av neutrinoreaktioner. I laddad ström-reaktion (CC)

omvandlas neutrinon till den motsvarande laddade leptonen genom att utbyta en W -

partikel med en kvark. Samtidigt omvandlas en kvarktyp till en annan kvarktyp. I

Version 24/4/02

5

neutral ström-reaktioner (NC) sprids neutrinon mot en kvark genom utbyte av den

neutrala utbytespartikeln Z0 varvid ingen ändring av kvarktyp sker.

Neutrino - kvarkreaktioner

n e + d Æe- + u (1)

n m + d Æm- + u (2)

nt + d Æt - + u (3)

För antineutriner sker motsvarande reaktioner enligt

n e + uÆe+ + d (4)

n m + uÆm+ + d (5)

n t + uÆt + + d (6)

Kvarkarna som bildas vid neutrinoreaktionerna ingår i de hadroner som bildas vid

reaktionen (mesoner och baryoner). Det faktum att neutrinerna växelverkar med

kvarkarna har använts för att studera kvarkarnas egenskaper och deras rörelsemängder

inuti protonen. Neutrinerna kan skilja på materia och antimateria i protonen medan

elektroner och fotoner som också har använts för att studera protonens inre endast är

känsliga för den elektriska laddningen.

Vid höga neutrinoenergier (över 0.3 TeV) gäller att den i neutrinoreaktionen skapade

laddade leptonen fortsätter i samma riktning som den inkommande neutrinon inom

någon grad. Kan man bestämma riktningen på den laddade leptonen mäter man

därför samtidigt riktningen på den inkommande neutrinon. Detta är nyckeln till

neutrinoastronomin.

Figur 1. Myonneutrinoreaktion med en atomkärna där en myon bildas tillsammans

med hadroner. Neutrinon kommer in från vänster och myonen försvinner åt höger i

bilden.

Vid en neutrinoreaktion fördelas energin på leptonen och de producerade hadronerna.

Fördelningen varierar beroende på om det är en neutrino eller en antineutrino som

reagerar samt på neutrinoenergin.

Version 24/4/02

6

Detektionsmetoder för neutriner

Neutrinon är elektriskt neutral och växelverkar svagt med materia. Enda sättet att

observera neutrinerna är att detektera när de (ytterst sällan) reagerar med materian och

då observera reaktionsprodukterna. Eftersom träffytan för neutrinoreaktioner är så

oerhört liten krävs en detektor med mycket stor massa. Detektorerna bygger man

normalt djupt ned i marken (i gruvor) eller djupt ned i havet eller inlandsisen för att

reducera bakgrunden från den kosmiska strålningen.

Man har två sätt att detektera neutriner.

1. Observera omvandlingen av atomkärnor med hjälp av radiokemiska metoder.

2. Detektera neutrinoreaktionen genom att direkt observera de producerade

partiklarna vid reaktionsögonblicket.

Radiokemiska metoder

I det första fallet använder man sig av en känd process där neutriner t.ex. från solen

omvandlar ett grundämne till ett annat. Vid den första observationen av neutriner från

solen (i en gruva i Homestake, Syddakota) använde sig Raymond Davis av reaktionen

ne + 37Cl -> 37Ar + esom

har en tröskelenergi på ca 0.85 MeV. Trots att flödet från solen vid jorden är

6.1010 neutriner/cm2/s bildades mindre än en halv 37Ar atom per dygn i de 130 ton

37CL som fanns i de 615 ton C2CL4 (kemtvättvätska) som användes i experimentet.

Argonet som är radioaktivt med en halveringstid på 30 dagar togs ut från vätskan en

gång per månad. Man studerade sedan mängden 37Ar-sönderfall och kunde därigenom

beräkna neutrinoflödet.

En mer effektiv process för att studera solneutrinerna är reaktionen

ne + 71Ga -> 71Ge + evilken

har en lägre tröskelenergi (0.233 MeV) än den tidigare reaktionen. I Gallexoch

SAGE-detektorerna använde man sig av denna metod.

Den kemiska metoden kan inte visa riktningen på den inkommande neutrinon och ej

heller ge information om när reaktionen skedde.

Direkt detektion

En viktig detektionsmetod som används för att direkt detektera elektriskt laddade

partiklar är Cherenkovmetoden. När en elektriskt laddad partikel färdas snabbare än

ljushastigheten i ett dielektriskt medium (ljushastigheten i ett medium är

ljushastigheten i vakuum dividerat med mediets brytningsindex) emitterar de

exciterade atomerna en koherent vågfront i en kon runt partikeln. Denna ”chockvåg”

av ljus (Cherenkovljus) kan liknas vid situationen när ett flygplan färdas i

Version 24/4/02

7

överljudsfart och genererar en ”ljudbang”. Cherenkovljuset emitteras i en specifik

vinkel (ca 41 grader i vatten och is) beroende på brytningsindex och partikelns

hastighet.

cos j = 1/(nb)

b = v/c

n = brytningsindex

v = partikelns hastighet

c = ljushastigheten I vakuum

För en myon med en energi under 600 GeV bildas det ca 300 Cherenkovfotoner per

cm. Genom att detektera ankomsttider och ljusintensitet med hjälp av ljusdetektorer

kan man bestämma riktningen på myonen. För högenergetiska myoner (över 600

GeV) bildas det dessutom elektron-positronpar runt själva myonen då den färdas

genom materia. Ju högre energi desto mer extra partiklar. Dessa ger också 300

fotoner/cm vilket ökar totala mängden av fotoner. Genom att mäta antalet fotoner per

längdenhet kan man få en uppskattning av partikelenergin.

I Kamiokandedetektorn i Japan som bestod av en stor tank med vatten och en mängd

ljusdetektorer (fotomultiplikatorer) runt väggarna använde man sig av reaktionen

ne + e- -> ne + eför

att studera solneutrinerna. Den träffade elektronen emitterar Cherenkovfotoner

vilka detekteras av ljusdetektorerna runt väggarna i tanken. Denna metod gör det

möjligt att observera riktningen på den inkommande neutrinon och

Kamiokandedetektorn visade för första gången att elektronneutrinerna verkligen kom

från solen.

Fördelen med Cherenkovtekniken är att man kan använda sig av naturligt vatten eller

is som detektormedium vilket gör att man kan tänka sig mycket stora detektorer, av

storleksordningen kubikkilometer.

En myonneutrino som reagerar med materia producerar i den laddade strömreaktionen

en myon som kan fördas långa sträckor innan den stoppas. Den kan

produceras kilometervis utanför det område som har utrustats med ljusdetektorer och

Version 24/4/02

8

ändå registreras vilket innebär att den ”effektiva volymen” kan bli mycket större än

själva detektorvolymen. En elektronneutrino producerar en elektron vid reaktionen

men till skillnad från myonen förlorar elektronen redan på några tiotals meter all sin

energi genom att ”bromsstråla” ut en mängd fotoner och elektron-positronpar (i vatten

och is). Alla dessa spår ger Cherenkovljus vilket resulterar i en hög intensitet av ljus

under en kort sträcka. Man kan på detta sätt skilja myonneutrinoreaktioner från

elektron- och tauneutrinoreaktioner (den producerade tauleptonen sönderfaller mycket

snabbt) samt neutrala ström-reaktioner. En intressant effekt som kan möjliggöra

identifiering av tauneutrinoreaktioner är dock att vid mycket höga neutrinoenergier

kan den producerade tau-leptonen färdas hundratals meter innan den sönderfaller

vilket resulterar i vad som kallas ”dubbel-bang”- reaktioner. Tau-leptonen

sönderfaller i vila på 10 –13 sekunder men på grund av tidsdilatationen kan den vid

mycket höga energier (PeV d.v.s. 1015 eV) färdas hundratals meter innan den

sönderfaller. Vid den första ”bangen” bildas hadroner vid neutrinoreaktionen och vid

den andra ”bangen” sönderfaller tauleptonen till en tauneutrino plus hadroner eller

leptoner.

nt + pÆt - + hadroner

|Ænt + hadroner /leptoner

Förutom att observera Cherenkovljus kan man observera emitterat scintillationsljus

som man t.e.x. gjorde i den första neutrinodetektorn.

Den första detektor som detekterade neutriner byggdes av Frederick Reines och Clyde

Cowan. Den placerades ca 10 meter från reaktorhärden av en kärnreaktor vid

Savanna-floden i USA. Anledningen att man placerade detektorn vid en kärnreaktor

var det stora flödet av antielektronneutriner från fissionsprodukterna (ca 1013

/cm2/sekund). Man observerade år 1956 reaktionen

† †

n e + pÆn+e+

Den bildade positronen annihilerar med en elektron i detektorn och man får därvid två

fotoner som utsänds i motsatta riktningar. Neutronen i reaktionen bromsas upp inom

10 mikrosekunder och absorberas av en kadmiumkärna samtidigt som fotoner sänds

ut. . De emitterade fotonerna reagerar i scintillatorvätskan och fotomultiplikatorer

registrerar det emitterade scintillationsljuset. Genom att kräva att man observerar de

två fotonerna från annihilationen samt inom 10 mikrosekunder ytterligare fotoner

lyckades man reducera bakgrunden från den kosmiska strålningen. Man observerade

40 neutrinoreaktioner per dygn. Reines och Cowans detektor bestod av 1400 liter

scintillationsvätska och150 fotomultiplikatorer.

Solneutriner

Hur fungerar energiproduktionen i en stjärna i allmänhet och i vår sol i synnerhet?

Under 1800-talet spekulerades det i att mekanismen kunde vara en gradvis

Version 24/4/02

9

gravitationell kollaps. Många stora fysiker som Hermann von Helmholtz och Lord

Kelvin förfäktade denna åsikt i avsaknad av kända alternativ. Detta fungerade dock ej

bra eftersom solens livstid i ett dylikt scenario skulle bli alltför kort. Några kemiska

processer som kunde ge tillräckligt med energi kände man inte till. Solens livstid

beräknades av Lord Kelvin till 30 miljoner år vilket stod i motsats till Charles

Darwins uppskattning av jordens och solens ålder till ca 300 miljoner år. I dag

uppskattas solsystemets ålder till 4.6 miljarder år. Problemet var att fysikerna under

1800-talet inte kände till att kärnmateria kunde omvandlas till energi.

Under början av 1900-talet kom man fram till den förklaring i termer av

kärnprocesser som gäller än idag. Ökad förståelse av de ingående kärnprocesserna

gjorde det även möjligt att räkna på förloppet och skapa en modell att testa på solen

och andra stjärnor. Det var den engelska astrofysikern Sir Arthur Eddington som 1920

föreslog att det faktum att fyra vätekärnor var tyngre än en heliumkärna kunde vara

solens energikälla. Masskillnaden övergick då i energi enligt E=mc2.

Det som i detta sammanhang är av intresse är beräkningarna av neutrinoflöden. I

solen dominerar den så kallade proton-protonkedjan i vilken väsentligen fyra

vätekärnor (protoner) övergår i en heliumkärna under utsändande av bl.a. neutriner.

Mera precist sammanfattar faktarutan de olika processer som försiggår i solen.

I korthet övergår i proton-protonkedjan fyra vätekärnor (d.v.s. protoner) till en

heliumkärna, en fusionsprocess i vilken man vinner energi. Man kan sammanfatta

processen som

4 1H->4He + 2 e+ + 2 ne + energi

Figur 2. Neutrinoflödet från solen som funktion av neutrinoenergin.

Under antagande att proton-proton-kedjan dominerar ger teoretiska beräkningar ett

neutrinospektrum som ser ut som i figur 2. Notera att båda skalorna är logaritmiska

och att således pp-reaktionen är helt dominerande.

Version 24/4/02

10

När Raymond Davis Jr. som pionjär i början av 1970-talet lyckades mäta

neutrinoflödet från solen med hjälp av sin stora tank fylld med en klorförening visade

det sig att man endast observerade ca en tredjedel av vad man förväntade sig från de

teoretiska beräkningarna. Mycket möda ägnades därför åt att försöka förstå vari

diskrepansen bestod. Var det fel på solmodellen eller var det rent experimentella

problem? Strålningsenergi i form av fotoner som skapas i solens inre tar miljoner år

innan det når solens yta medan neutrinerna tar sig ut obehindrat. Har solen börjat

slockna? Knappast men det vore en fanflyktig förklaring till att färre neutriner än vad

som förväntats observerades.

När Kamiokandeexperimentet konfirmerade Davis resultat 1988 tilltog tllltron till

resultaten ytterligare. Senare har fler experiment t.ex. GALLEX och SAGE som

använder gallium som detektormaterial verifierat bristen på solneutriner jämfört med

de teoretiska förutsägelserna. År 2002 tilldelades Raymond Davis Jr och Masatoshi

Koshiba halva 2002-års nobelpris i fysik för sina insatser (se artikel av P. Carlson i

denna skrift).

Faktaruta solneutriner

• Deuterium bildas genom

o p + p -> 2H + e+ + ne

(99.75 %'s sannolikhet, ger neutriner med energi ! 0.423 MeV)

o p + e- + p ->2H + ne

(0.25 %'s sannolikhet, ger neutriner med en energi av 1.445 MeV)

• Helium-3 bildas genom

o p + 2H ->3He + g

• Helium-3 reagerar genom

o 3He + 3He ->4He + p + p (85%)

o 3He + 4He -> 7Be + g (15%)

ß 7Be + e- ->7Li + ne

(99.98 % av alla Berylliumatomer fångar in elektron,

ger neutriner med 0.863 MeV i 90 % av fallen

och 0.385 MeV i 10% av fallen)

ß 7Li + p ->4He + 4He

ß 7Be + p -> 8B + g

(0.02 % av alla Berylliumatomer fångar in proton)

ß 8B -> 8Be* + e+ + ne

(* betyder att Berylliumatomen är i exiterat tillstånd,

ger neutriner med energier upp till 15 MeV)

8Be* ->4He + 4He

o 3He + p ->4He + e+ + ne

(0.00003 %, ger neutriner med en energi av upp till 18.8 MeV)

Version 24/4/02

11

Neutrinooscillationer

Det är inte enbart från solen man observerar för få neutriner. Neutriner skapas även i

atmosfären av den kosmiska strålningen (se nedan). Man har under lång tid även här

observerat för lite neutriner, i detta fall myonneutriner. Superkamiokandedetektorn

rapporterade 1998 att flödet av myonneutriner berodde på avståndet mellan detektorn

och den punkt i atmosfären där neutrinerna skapades. En tolkning av att man

observerar för lite neutriner av en typ är att neutrinerna omvandlas till en annan typ av

neutrino på sin väg till detektorn. Denna möjlighet förutsades av den italienske

fysikern B.Pontecorvo redan 1969. Förutsättningen för att neutrinerna skall kunna

övergå mellan olika typer (oscillera) är att minst en av dem har massa. Om man antar

att man enbart har två typer av neutriner kan man skriva sannolikheten att en typ av

neutrino oscillerar över till en annan typ av neutrino som

Pn 1Æn 2 = sin2(2q)sin2(1,27 Dm2L

En

)

där Dm2 = |m1

2-m2

2| är skillnaden i kvadraterna på massorna (i eV2/c4), L avståndet

mellan produktions- och detektionspunkten (i meter) samt En är neutrinoenergin (i

MeV). Av formeln ovan ser man att oscillationssannolikheten är beroende av hur

långt från källan man observerar, neutrinernas energi och skillnaden i massa. Man kan

göra ett experiment känsligare för små masskillnader om man ökar avståndet och/eller

tittar på lägre neutrinoenergier. Avståndet till solen är mycket stort och

neutrinoenergierna är relativt små vilket innebär att man är känslig för små

masskillnader.

Eftersom man har tre olika typer av neutriner behöver man ta hänsyn till övergångar

mellan alla tre och det innebär mer komplicerade formler än den ovan. För

diskussionen av om neutrinon har massa duger dock formeln.

En förklaring till att man ser för lite elektronneutriner från solen kan vara ett en del

omvandlas till andra neutriner på vägen. Eftersom Cl- och Ga-experimenten enbart

mäter mängden av elektronneutriner är de inte känsliga för de eventuella omvandlade

neutrinerna. Energin på solneutrinerna är för låg för att en elektronneutrino som

omvandlats till en myonneutrino skulle kunna producera en myon i en laddad strömreaktion.

Däremot kan samtliga neutriner oberoende av typ deltaga i neutrala strömreaktioner

Situationen har under den senaste tiden klarnat vad beträffande neutrinooscillationer

och neutrinopartiklarnas massor. Två experiment har nyligen presenterat resultat. Det

första SNO (Sudbury Neutrino Observatory) i Kanada har en stor tank med tungt

vatten (D2O). Fördelen med att använda tungt väte är att man får en reaktion som är

känslig för summan av intensiteten av alla typerna av neutriner. Man har tre olika

reaktioner att studera:

ne + d -> p + p + e- (CC)

nx + d -> p + n + nx (NC)

nx + e- -> e- + nx (ES)

Version 24/4/02

12

I den första reaktionen ”charge current” (CC) eller laddad ström-reaktionen

(utbytespartikeln W) omvandlas neutronen i deuteriumkärnan till en proton. Det är

enbart elektronneutrinon som kan göra detta. Mäter man intensiteten av denna

reaktion får man elektronneutrinoflödet vid jorden. Den andra reaktionen går via

utbytespartikeln Z0 ,”neutral current” (NC) eller neutral ström-reaktion. Även myonoch

tau-neutriner bidrar till denna reaktion. Den tredje reaktionen ”elastic scattering”

(ES) eller elastisk spridning är också möjlig för samtliga neutrinotyper men

elektronneutrinon har 6 ggr högre tvärsnitt än de andra två neutrinotyperna eftersom

den även kan utbyta en W-partikel med elektronerna i vätskan.

SNO rapporterade i april 2002 sina resultat som visade att det totala flödet från solen

av neutriner (summan av alla typer) var 5,1 miljoner neutriner/cm2/sekund medan

elektronneutrinoflodet enbart var 1,8 miljoner neutriner/cm2/sekund. Det förväntade

flödet från solen av elektronneutriner från 8B reaktionen (se ovan) är 5,05 miljoner

elektronneutriner/cm2/sekund. Det totala flödet av neutriner stämmer alltså med vad

som förväntas från solmodellen men mängden detekterade elektronneutriner är för

liten i överensstämmelse med ”solneutrinoproblemet”. Tolkningen av detta är att de

övriga ”icke-elektronneutrinerna” är en blandning av myon- och tauneutriner vilka vid

produktionen i solen var elektronneutriner. Ytterligare ett experiment, KamLAND i

Japan, har nyligen publicerat data i överstämmelse med att solneutrinerna oscillerar.

De har mätt flödet av antielektronneutriner från ett flertal kärnkraftsreaktorer i Japan

och Korea. Observationen att neutrinerna oscillerar innebör att de måste ha massa.

Från solneutrinodata får man att Dm2 = |m1

2-mx

2| är av storleksordningen 5*10-5 eV2

och motsvarande för de atmosfäriska myonneutrinerna, Dm2 = |m2

2-my

2|, är lika med

3*10-3 eV2. Masskillnaden ligger på några hundradels elektronvolt. Man kan inte

säga vad de absoluta massorna för neutrinerna är, bara att neutrinerna inte är

masslösa. Även detta konstaterande är revolutionerande eftersom man nu måste bygga

ut materiens standardmodell att inkludera massiva neutriner. Det är den första

avvikelse från modellen man sett. Ett nytt forskningsområde där man kommer att

bestämma alla oscillationsparametrar har just öppnats.

Kosmiska neutrinokällor

Hittills har vi enbart observerat två källor för neutriner i universum. Den första är

solen som hela tiden bestrålar oss med 6*1010 neutriner/cm2/s (se ovan). Den andra

observerade neutrinokällan varade endast ca 10 sekunder och var supernovan 1987A

som exploderade 1987 i det Stora Magellanska molnet ca 170 000 ljusår från jorden.

En supernova är slutfasen i en stor stjärnas utveckling (> 8 solmassor) där ca 99% av

all energi i explosionen utstrålas i form av neutriner. Inga andra kosmiska neutriner

har hittills observerats (april 2003). Ett flertal neutrinotelskop söker idag efter

kosmiska neutriner och ytterligare ett antal nya teleskop är under konstruktion eller på

planeringsstadiet. De två observerade neutrinokällorna genererar relativt

lågenergetiska neutriner, upp till 40 MeV (supernovan 1987).

Förväntar man sig då högenergetiska neutriner från kosmos?

Svaret på denna fråga är ja och man kan uppskatta det förväntade flödet av neutriner

på olika sätt. En mycket viktig observation för detta är den kosmiska strålningen.

Version 24/4/02

13

Kosmisk strålning

På 1910-talet observerades (Victor Hess, nobelpris 1936) att jorden hela tiden

bombarderas av elektriskt laddade partiklar (atomkärnor) utifrån rymden. Upptäckten

var helt oväntad och visade att det fanns ”partikelacceleratorer” ute i rymden.

Energifördelningen hos denna kosmiska strålning visas i figur 3. Varteftersom man

har byggt större och känsligare detektorer för kosmisk strålning har man observerat

inkommande partiklar med högre och högre energi. Flödet av partiklar varierar i

figuren över 30 storleksordningar för energier mellan 1 GeV och 1011 GeV. De

högsta energierna motsvarar ca 50 Joule vilket är 107 gånger mer än vad världens

kraftfullaste partikelaccelerator, LHC vid CERN, kommer att kunna nå upp till när

den startar år 2007. Energin är så hög att den motsvarar energin i en mycket hårt

slagen tennisboll från Björn Borg. Om man skulle bygga en accelerator för att

producera protoner med denna enorma energi med hjälp av LHCs supraledande

magneter blir acceleratorn något större än jordens bana runt solen. Energin på de

accelererade partiklarna är proportionell mot acceleratorns radie gånger magnetfältets

styrka.

Figur 3. Partikelflöde som funktion av energi för den kosmiska strålningen.

Version 24/4/02

14

Den kosmiska strålningens energispektrum varierar som funktion av energin med

några karakteristiska förändringar. Det finns två ställen där lutningen plötsligt ändras.

Fram till ”knät” (eng. knee) vid 5*1015 eV minskar flödet som E-2,7, därefter som E-3,1

upp till ”vristen” (eng. ankle) vid 3*1018 där det åter ändras till E-2,7. Varför lutningen

ändras på detta sätt är inte förstått. Partiklarna med energier över 1019 eV är troligen

skapade utanför vintergatan. För de lägre energierna tror vi att källorna bl.a. är solen,

roterande neutronstjärnor och exploderande supernovor i vår galax. Men vad är det

som är källan för partiklarna med de allra högsta energierna? Vi vet inte detta och det

är även svårt att beskriva hur partiklarna erhåller dessa enorma energier. Ett sätt att ta

reda på det vore att finna källorna till dessa partiklar. Ett problem med att hitta

källorna är att de observerade partiklarna är elektriskt laddade och avböjs av det

magnetiska fält som finns ute i rymden, d.v.s. riktningen på den inkommande

partikeln pekar inte nödvändigtvis tillbaka till källan. För detta behövs en elektriskt

neutral partikel som neutrinon.

Ytterligare en komplikation är att partiklarna med de högsta energierna inte kan

passera långa sträckor i universum utan att kollidera med mikrovågsbakgrunden

(MVB). Vid protonenergier på 5*1019 eV blir kollisionsenergin mellan protonen och

en foton i mikrovågsbakgrunden från Big Bang tillräckligt hög för att fotoproduktion

av D-resonanser blir möjligt enligt:

P + gMVB -> D + -> p0 + p eller p+ + n

För en proton med 50 EeV (d.v.s. 50*1018 eV) är absorptionslängden i universum

endast ca 30 miljoner ljusår på grund av denna reaktion. Detta betyder att om det

verkligen är protoner som har dessa enorma energier kan källorna inte vara alltför

långt bort. Universum är på detta sätt inte transparent för högenergetiska protoner.

Denna effekt kallas GZK-effekten efter Greisen, Zatseptin och Kuzmin. I sönderfallet

av p+ -mesonen i reaktionen skapas även s.k. GZK-neutriner vilka helt enkelt måste

existera. ”GZK-gränsen” borde utgöra en övre gräns på energin för den kosmiska

strålningen men vi ser partiklar som har ännu högre energier. Var kommer de ifrån?

Universum är ännu mindre transparent för högenergetiska fotoner som reagerar med

den kosmiska mikrovågsbakgrunden enligt:

g + gMVB -> e+ + e-

Fotoner med energier över 1015 eV når oss inte om de inte har skapats inom

Vintergatan. Fotoner med energier över 1013 eV kan inte komma längre ifrån än ca

500 miljoner ljusår på grund av att de reagerar med de infraröda fotoner som finns i

rymden. Universum är alltså inte transparent för högenergetiska fotoner och protoner.

Neutrinerna däremot har inga problem att färdas genom universum.

Aktiva galaxer

Möjliga källor till den kosmiska strålningen är bland annat de aktiva galaxerna vilka

tros ha ett gigantiskt svart hål i centrum. Ned i det svarta hålet, som kan ha en massa

på miljarder solmassor, faller gas och materia från galaxen. Bild 1 visar galaxen

Centarus A från vilken man ser en jetstråle som går ut från centrum. Eventuellt kan

protoner accelereras i strålen, kollidera med fotoner och därvid producera neutriner.

Version 24/4/02

15

Bild 1 Bild av centrum av den aktiva galaxen Centarus A tagen i röntgenljus av

Chandrasatelliten. En möjlig källa för kosmiska neutriner. (NASA/SAO/R.Kraft et

al.)

Gammablixtar

Gammablixtar (Gamma Ray Bursts, GRB) är de mest våldsamma explosionerna man

observerat i universum. Explosionerna sker på mycket stora avstånd från vår

Vintergata och frigör enorma energier i gammastrålning under ett fåtal sekunder. De

upptäcktes på 1970-talet av VELA-satelliterna vilka bevakade Sovjetunionen för

eventuella brott mot provstoppsavtalet Det är okänt vad som skapar dessa händelser

men man spekulerar i supertunga stjärnor som kollapsar till svarta hål, två

neutronstjärnor som faller in i varandra etc. Flera modeller antar att den

högenergetiska kosmiska strålningen produceras av dessa objekt och att även

neutriner då bildas.

”Uppifrån och ned” (Top- down)

Det har postulerats att supertunga partiklar kan ha producerats i det tidiga universum

under inflationsfasen på grund av så kallade topologiska effekter. När de supertunga

Version 24/4/02

16

partiklarna sönderfaller skulle det kunna bildas partiklar med mycket höga energier. I

denna process behövs ingen accelaerationsmekanism.

”Z-bursts”

Eftersom protoner med energier över GZK-gränsen 5*1019 eV inte kan färdas långt i

universum utan att reagera med mikrovågsbakgrunden har man spekulerat att det i

stället är neutriner med energier över 1021 eV som reagerar med de kosmologiska

bakgrundsneutrinerna och bildar Z0-partiklar.

n i +n ikosmolog iskneutrino ÆZ0 Æhadroner

De partiklar man observerar ovanför GZK-gränsen skulle då komma från Z0-

sönderfallet. Man kan då förklara att den verkliga källan för dessa hypotetiska

neutriner skulle kunna vara mycket avlägsen. Denna process kan eventuellt vara den

enda där man är direkt känslig för de kosmologiska bakgrundsneutrinerna.

Neutrinoflöden från kosmos

Beroende på vad man antar att det är som producerar den högenergetiska kosmiska

strålningen, kan man uppskatta flödet av neutrinopartiklar baserat på det observerade

flödet av kosmisk strålning. Antar man att man har en transparent källa av protoner,

d.v.s. mycket lite material som stoppar de accelererade partiklarna vid källan så har

man den högsta effektiviteten. De accelererade protonerna kan då reagera med fotoner

runt källan och bilda neutriner enligt

p + g -> D+ -> n + p+ eller p + p0

p+ -> m+ + nm ; m+ -> e+ + ne + nm

p0 -> g + g

Neutronen och protonen blir då den observerade kosmiska strålningen medan pmesonerna

sönderfaller och ger bidrag med högenergetiska neutriner och fotoner.

Antalet fotoner och antalet neutriner är av samma storleksordning vilket är

utmärkande för denna process. Flödet av neutriner blir direkt relaterat till flödet av

den kosmiska strålningen och man kan på detta sätt uppskatta storleken på de

neutrinoteleskop man behöver bygga. Ett flertal uppskattningar finns och i figur 4

visas förväntat flöde för några modeller.

Version 24/4/02

17

Figur 4. Förväntat flöde av neutriner som funktion av neutrinoenergin för olika

modeller baserade på den observerade kosmiska strålningen.

Figur 4 visar det förväntade flödet av neutriner som funktion av neutrinoenergin för

olika modeller baserade på den observerade kosmiska strålningen. Flödet är

multiplicerat med neutrinoenergin i kvadrat vilket för en källa med E-2-spektrum ger

en horisontell linje. Anledningen att man multiplicerar med E2 är att den modell man

har för accelerationen (s.k. Fermi-acceleration) just ger ett E-2-spektrum. I figuren

visas även den övre gräns på flödet av kosmiska neutriner som AMANDA-detektorn

nyligen publicerat (se nedan). Linjen markerat med IceCube motsvarar en detektor

med storleken en kubikkilometer. Det är enbart ute i havet eller i inlandsisen som man

kan bygga detektorer av denna storleksordning. De vattenfyllda solneutrinodetektorer

som existerar nere i gruvor som t.ex. Superkamiokande, SNO etc är troligen alldeles

för små för att kunna detektera kosmiska neutriner.

Neutriner bildas även i jordens atmosfär vid kollisionerna av den kosmiska

strålningen med atomkärnor i atmosfären. Dessa atmosfäriska neutriner har en

snabbare fallande intensitet som funktion av energin än vad de förväntade kosmiska

källorna har. De utgör en bakgrund för de kosmiska neutrinerna men är även

användbara för kalibrering av neutrinodetektorerna.

Det är naturligtvis inte omöjligt att det finns källor som accelererar högenergetiska

protoner men som har så mycket materia omkring sig att protonerna snabbt kolliderar

och absorberas. Dessa ”gömda källor” bör då producera neutriner men inte bidra till

den kosmiska strålningen i övrigt.

Version 24/4/02

18

Mörk materia

Ytterligare en motivering för att bygga neutrinoteleskop är för att studera möjliga

kandidater till universums mörka materia. Baserat på de senaste resultaten inom

kosmologin uppskattar man att endast ca 4 % av universum består av de atomer som

vår vanliga materia är uppbyggd av. Ytterligare ca 70 % av universums energi består

av s.k. mörk energi och ca 25 % av en ny okänd typ av mörk materia. Denna mörka

materia växelverkar inte elektromagnetiskt med vår materia men växelverkar via

gravitationen och troligtvis också via den svaga kärnkraften. Den mörka materian

behövs bl.a. för att förklara galaxers rotationshastigheter och galaxhopars rörelse.

Man brukar kalla massiva partiklar som bygger upp den mörka materien för Weakly

Interacting Massive Particles (WIMPs). Partiklarna har massa och växelverkar svagt

med övrig materia.

En lovande kandidat till vad den mörka materien består av är den lättaste

supersymmetriska partikeln neutralinon. Supersymmetri är en teoretisk utbyggnad av

partikelfysikens standardmodell som förutsäger att varje partikel inom

standardmodellen har en supersymmetrisk partner. Dessa supersymmetriska partiklar

skall då enligt teorin bildas samtidigt med vår vanliga materia i Big Bang. Det som

återstår av de supersymmetriska partiklarna idag bör då vara den lättaste partikeln

eftersom de tyngre har sönderfallit till denna. Neutralinon är en elektriskt neutral tung

partikel (massan troligen någonstans inom området från ca 70 protonmassor upp till

tusentals protonmassor). Neutralinopartiklarna har sedan Big Bang kylts ned i

samband med expansionen av universum och har idag en hastighet på ca 250 km/sek.

Detta är ungefär solsystemets hastighet runt vintergatan. Tunga objekt som jorden och

solen kommer att gravtationellt dra till sig dessa partiklar. När de passerar genom

jorden eller solen kan de förlora rörelseenergi via kollisioner med atomkärnor och bli

gravitationellt bundna. Man förväntar sig att det i centrum av solen och jorden skall

finnas en ansamling av neutralinopartiklar. Dessa partiklar är sina egna antipartiklar

och två neutraliner kan annihilera till vanlig materia. I samband med detta kan det

bildas neutriner som har betydligt högre energi än vad de vanliga elektronneutrinerna

från solens fusionsprocesser har. Om man observerar myonneutriner från jordens

centrum eller från solen vore det en indikation på att den mörka materien består av

dessa neutralinopartiklar.

AMANDA teleskopet vid Amundsen-Scott basen vid Sydpolen

Mitt på Antarktiskontinenten vid den geografiska sydpolen ligger den amerikanska,

Amundsen-Scott basen. Basen har varit i drift sedan 1950-talet och har idag en mängd

olika vetenskapliga forskningsprojekt i drift. Basen ligger på inlandsisen på en höjd

av ca 2800 meter men med ett lufttryck som motsvarar ca 3200 meter. Transporter till

Version 24/4/02

19

och från basen sker via flyg (huvudsakligen Herculesplan utrustade med skidor).

Basen drivs av National Science Foundation, USA, och forskare från en mängd olika

nationer deltar i de olika projekten. Basen är tillgänglig med flyg från slutet av

oktober till början på februari. Under den tiden utförs allt utomhusarbete.

Bild 2. Flygbild över Amundsen-Scottbasen vid Sydpolen. AMANDA detektorn är

placerad nere i isen vid byggnaden till vänster i bilden.

Under tiden februari till oktober övervintrar viss personal för att sköta basen och de

pågående experimenten. Ett av de största projekten på Sydpolen är Antarctic Muon

And Neutrino Detector Array (AMANDA) vilket för närvarande är världens största

neutrinoteleskop. Projektet är ett internationellt samarbete mellan 20 forskargrupper i

Belgien, Storbritannien, Tyskland, Sverige, Venezuela och USA. I Sverige är det

grupper från Kalmar Högskola, Stockholms universitet och Uppsala universitet som

deltar.

AMANDA teleskopet för neutriner består av 677 ljusdetektorer vilka är placerade

djupt nere i isen huvudsakligen på 1500 meters till 2000 meters djup, se figur 5.

Inlandsisen vid Sydpolen är 2800 meter tjock och består av den renaste isen på jorden.

Detta tillsammans med infrastrukturen vid Amundsen-Scottbasen, vilken är bemannad

året runt, gör platsen till ett mycket lämpligt ställe att bygga en stor

Cherenkovdetektor för neutriner. Inlandsisen består av packad snö som på stora djup

övergår i ren is. Vid högt tryck och låg temperatur bildar luften i isen tillsammans isen

s.k. klatratkristaller vilka är transparenta. Isen blir fri från luftbubblor vid ca 1300

meters djup. Det finns dock en viss mängd stoftpartiklar i isen som fortfarande kan

Version 24/4/02

20

sprida ljuset och dessa är koncentrerade vid vissa djup som utmärker tidigare istider.

Isen vid 1700 meters djup är ca 60000 år gammal.

Figur 5. AMANDA- teleskopet består av 19 strängar med totalt 677 ljusdetektorer

infrysta djupt nere i isen. Som jämförelse visas storleken på Eiffeltornet.

Ljusdetektorerna (s.k. optiska moduler) består av fotomultiplikatorer med 20 cm

diameter och en förstärkning på 109 gånger. De är inneslutna i en glassfär som klarar

av det stora trycket vid infrysningen.

Borrningen av de hål som man behöver för att sänka ned ljusdetektorerna görs med en

teknik som utnyttjar hett vatten under tryck. Man smälter ett ca 60 cm brett hål ned till

önskat djup. Hålet blir vattenfyllt nedanför ca 50 meters djup (ovanför detta djup

försvinner vattnet ut i snön). Noggrannheten i positionen av hålet i horisontell led är

bättre än en meter ned till 2400 meters djup. När man ”borrat” färdigt hålet tar man

upp borr och varmvattenslang och har sedan ca 40 timmar på sig att sänka ned

ljusdetektorerna innan vattnet i hålet fryser till is så att diametern på hålet blir för litet.

Ljusdetektorerna är fästa på en central kabel som överför pulserna från

fotodetektorerna nere i isen. Två olika överföringstekniker används: elektriska

Version 24/4/02

21

signaler via huvudkabeln och optiska signaler via speciella optiska fibrer. Avståndet

mellan de optiska modulerna varierar från 10 meter upp till 20 meter beroende på hål

(utvecklingen av den elektriska kabeln tillät efterhand fler moduler per kabel). Det tar

ca en vecka för vattnet i hålet att frysa till is och under den tiden utsätts de optiska

modulerna för mycket högt tryck.

Bild 3. Bild från 840 meters djup i hål 13 tagen av Stockholm universitets

videokamera år 1998. Ca 5 meter nedanför kameran syns en glassfär försedd med

en lampa som lyser in i isväggen. På detta djup finns fortfarande luftbubblor i isen i

vilka ljuset sprids.

Totalt har ljusdetektorer sänkts ned i19 hål mellan år 1995 och år 2000 och dessa

utgör nu AMANDA-teleskopet. Diametern på detektorn är 200 meter och den har en

effektiv höjd på ca 350 meter (den centrala delen) vilket ger en volym på ca 10

miljoner kubikmeter. Genom att skicka ljus från laserar från olika positioner inom

detektorn kan man kalibrera detektorns geometri och även studera isens egenskaper.

AMANDA-resultat

Detektorn var fullt utbyggd i januari 2000 och har sedan dess tagit data med undantag

för service och viss elektronisk uppgradering vilket skett mellan november och

januari varje år. Den känsliga delen av detektorn ligger 1500 meter under ytan på

inlandsisen. Trots detta genomborras detektorn av mängder av myoner som bildas vid

reaktioner av den kosmiska strålningen i atmosfären. Myonerna bildas vid sönderfall

av bl.a. p-mesoner tillsammans med s.k. atmosfäriska neutriner. För AMANDAdetektorn

innebär detta att ca en miljon myoner från kosmisk strålning passerar

detektorvolymen för varje atmosfärisk neutrino som detekteras. Eftersom myoner från

p-sönderfall är identiska med myoner från neutrinoreaktioner kan man för de myoner

Version 24/4/02

22

som kommer ovanifrån inte särskilja neutrinoinducerade myoner från psönderfallsmyoner.

Istället väljer man att enbart acceptera myoner som kommer

underifrån som neutrinoreaktioner. Man använder därvid jorden som ett filter för att ta

bort bakgrunden av atmosfäriska myoner. Detektorn har en trigger som kräver att ett

visst antal ljusdetektorer träffas inom ett kort tidsintervall. När detta villkor är uppfyllt

läser man ut informationen från alla ljusdetektorer och denna information används

sedan för att rekonstruera myonens rörelse genom detektorn (kallas spår). Genom att

använda olika urval kan man anrika kvalitén på de rekonstruerade spåren. Spår som

kommer uppifrån förkastas och enbart uppåtgående spår sparas.

Figur 6. AMANDA-detektorn med ett uppåtgående spår. Varje punkt

motsvarar en ljusdetektor. Varje ljusdetektor som registrerat ljus är markerad

med en kvadrat med en cirkel inuti. Ju större yta desto fler fotoner har

registrerats. Röd färg motsvarar tidig träff och grön färg sen träff.

AMANDA-detektorn observerar ca tre till fyra atmosfäriska neutriner per dygn i en

bakgrund av miljontals atmosfäriska myoner. Fig 6 visar ett uppåtgående myonspår

från en myonneutrinoreaktion i isen (eller berggrunden) under AMANDA-detektorn.

Myonen kommer nerifrån höger i bilden och går snett upp till vänster. Spåret är ca

300 meter långt inne i detektorn vilket ger en undre gräns på neutrinoenergin på 60

GeV. Målsättningen för AMANDA-experimentet är att observera kosmiska

neutriner. När det gäller olika punktkällor ute i universum har man sökt efter

statistiskt signifikanta överskott av neutriner i olika riktningar. Eftersom man enbart

tittar på neutriner som kommer underifrån vid Sydpolen är man huvudsakligen

känslig för källor i den norra hemisfären. Figur 7 visar analysen av data tagna under år

2000. Inget signifikant överskott av neutriner i någon riktning kan ses. Antalet

observerade neutriner är i överensstämmelse med det förväntade antalet atmosfäriska

neutriner, d.v.s. ännu ingen indikation på kosmiska neutriner. De gränser som

AMANDA-teleskopet kan sätta på neutrinoflödet är de bästa hittills.

Version 24/4/02

23

Figur 7. Riktningen för neutriner från data tagna under år 2000. Bilden visar

den norra hemisfären i ekvatoriella koordinater. Möjliga kosmiska

neutrinokällor är markerade. Inget statistiskt signifikant överskott av neutriner

är observerat i någon riktning.

Delar av data har blivit analyserats med avseende på rapporterade gammablixtar från

satellitdata. Det är främst koincidenser med data från BATSE-experimentet ombord

på CGRO-satelliten som har använts i analysen. Hittills har inga neutriner observerats

i samband med någon gammablixt. Sökandet efter neutriner från neutralinoannihilation

(mörk materia) från jordens centrum har resulterat i gränser vilka är i

samma storleksordning som andra experiment presenterat (hitills har enbart ca 130

dagars exponering använts). Sökandet efter högenergetiska kosmiska neutriner (utan

specifik riktning) har resulterat i de bästa övre gränserna hittills (figur 4).

IceCube-detektorn

I figur 4 ser man att man behöver detektorer av storleksordningen km3 för att vara

känslig för kosmiska neutriner. Även om AMANDA-teleskopet kommer att kunna

studera universum med bättre och bättre känslighet är det troligt att man behöver

nästa generations detektorer såsom IceCube för att slutligen observera kosmiska

neutriner. IceCube är planerat att kunna uppfylla de krav man konservativt måste

ställa på ett neutrinoteleskop. Det kommer att innesluta AMANDA-teleskopet vilket

möjliggör en samkörning av de båda teleskopen. Det nya teleskopet kommer att

bestå av 80 nya hål med 60 optiska moduler i varje. Teleskopet kommer att vara

instrumenterat med ljusdetektorer från 1450 meters djup ned till 2450 meters djup och

täcka en yta på en kvadratkilometer. Totala volymen blir en kubikkilometer. Vid ytan

kommer en luftskursdetektor (IceTop) att byggas för att detektera skurar från

kosmisk strålning. IceTop kommer att kunna bestämma riktningen på skurarna

Version 24/4/02

24

mycket noggrant och myonkomponenten i skuren kan användas för kalibrering av

IceCube-telskopet nere i isen. Dessutom räknar man med att en samkörning av

IceCube och IceTop skall ge värdefull information om vilka atomkärnor den

kosmiska strålningen består av vid höga energier. IceCube-detektorn kommer kraftigt

att öka känsligheten för kosmiska neutriner jämfört med tidigare detektorer.

Bild 8. En simulerad myon med en energi på 6 PeV som passerar igenom

IceCube nerifrån upp åt höger. Varje ljusdetektor som observerat

Cherenkovljus är markerad med en fylld cirkel.

IceCube kommer att kunna identifiera både elektron- och tau-neutrinoreaktioner vid

höga energier. En elektronneutrino som reagerar inuti IceCube kommer att se ut som

en punktkälla av Cherenkovljus och en tauneutrinoreaktion kan vid höga energier

identifieras med hjälp av ”dubbel-bang”-topologin som nämndes tidigare. Eftersom

neutrinooscillationer nu är etablerade kommer tex. myonneutriner som produceras

långt bort i universum att till hälften ha omvandlats till tauneutriner innan de anländer

till jorden. Att kunna studera dessa är av stort intresse. I figur 9 a) visas en simulerad

elektronneutrinoreaktion med en energi på 375 TeV i IceCube. Eftersom den skapade

elektronen på några tiotals meter förlorar all sin energi i bromsstrålning och elektronpositronpar

kommer det bildade Cherenovljuset med IceCubes dimensioner se ut att

komma från reaktionspunkten. I figur 9 😎 visas en simulerad tauneutrinoreaktion.

Tauneutrinon kommer snett uppifrån höger och reagerar inne i detektorn (den första

sfären av ljus). Den producerade tauleptonen färdas tack vare den väldigt höga

energin flera hundra meter innan den sönderfaller (den andra sfären av ljus).

Version 24/4/02

25

Figure 9 a) En simulerad elektronneutrinoreaktion (375 TeV) inuti IceCube . 9 😎 En

simulerad tauneutrinoreaktion i IceCube med den karakteristiska dubbel-bang

signaturen.

Detektion av neutriner från supernovor med AMANDA/IceCube

Även om AMANDA har en tröskelenergi på ca 30-50 GeV för en myon kan

teleskopet faktiskt även detektera neutriner från en supernova i vår närhet vilka endast

har energier upp till ca 40 MeV. När en tung stjärna avslutar sitt liv och exploderar i

en supernova skickas 99% av energin ut i form av neutriner. År 1987 observerade

man neutriner från supernovan i stora Magellanska molnet i Kamiokandedetektorn i

Japan och även i IMB-detektorn i USA. Totalt observerades 19 neutriner under ca 10

sekunder. Avståndet till källan var 170000 ljusår. AMANDA-teleskopet har en

supernovatrigger som är baserad på att när en supernova exploderar kommer

AMANDA under ca 10 sekunder att få hundratusentals reaktioner av typen

n e + pÆn+e+

Positronen som bildas färdas ca 30 cm innan den stoppas upp och annihilerar med en

elektron i isen. Totalt bildas ca 3000 Chernkovfotoner för varje reaktion. Hela isen

kommer att ”lysa” upp under kort stund. Fotomultiplikatorerna i AMANDA har en

Version 24/4/02

26

räknehastighet på mellan 400 Hz och 1500 Hz vilket är lågt. Bruset kommer

huvudsakligen från scintillationsljus från 40K sönderfall i glassfären. Eftersom isen

består av frusen snö finns det ytterst lite föroreningar och salter som kan ge

Cherenkovljus från radioaktiva sönderfall i isen. I jämförelse med en motsvarande

detektor nedsänkt i havet är räknehastigheten ca en hundradel. I havet sönderfaller 40K

och ger höga räknehastigheter i ljusdetektorerna. Under den tid som

supernovaneutrinerna reagerar i detektorvolymen ökas brusnivån i AMANDAs

ljusdetektorer beroende på Cherenkovljuset från positronerna. Genom att hela tiden

monitorera brusnivån i teleskopets för i stort sett samtliga fotomultiplikatorer kan man

detektera en plötslig förhöjning av bruset. AMANDA kan observera en

supernovaexplosion av typ 1987 från 90% av Vintergatans stjärnor. När IceCube

kommer igång räknar man med att hela Vintergatan plus Stora och Lilla Magellanska

molnen ligger inom det känsliga området. AMANDA kommer att bli inkopplat till ett

nätverk av olika neutrinoteleskop som kan detektera neutriner från Supernovor.

Genom att i realtid korrelera ankomsttiden på de första supernovaneutrinerna på olika

platser på jorden kan man ”triangulera” riktningen till supernovan. Eftersom

neutrinerna tar sig ur centrum på den exploderande stjärnan snabbare än vad optiskt

ljus gör kan astronomerna få en förvarning och hinna rikta in sina teleskop.

AMANDA och IceCube är även känsliga för supernovor som inte kan ses med optiskt

ljus på grund av att ljuset absorberas i Vintergatans stoft.

Andra teleskop för högenergetiska neutriner

Dumand

Det första neutrinoteleskopet som planerades var DUMAND-teleskopet

som planerades att sänkas ned utanför Hawaii. Vattnet i havet är väldigt klart och man

kan placera en neutrinodetektor på stora djup vilket reducerar bakgrunden av

atmosfäriska myoner. En nackdel med att ha detektorer i havet är att 40K sönderfall

hela tiden ger en mängd Cherenkpvljus i vattnet som stör observationen av

Cherenkovljuset från neutrinoreaktionerna. Projektet påbörjades redan på 70-talet och

man sänkte ned en sträng av ljusdetektorer till 4000 meters djup 1994. Men en

vattenläcka i elektroniken stoppade datatagningen efter några minuter. Projektet

återhämtade sig aldrig efter detta. DUMAND var emellertid pionjärprojektet och har

bidragit mycket till uppbyggnaden av kunskapen inom området.

Baikal

Ett neutrinoteleskop i Bajkalsjön i Ryssland startades redan

under 1980-talet. Den nuvarande detektorn, kallad NT-200, med ca 200

fotomultiplikatorer stod klar 1998 och har nu tagit data i flera år och registrerat

neutrinoreaktioner. Detektorn är betydligt mindre än AMANDA. Vid sidan av

Amanda är den det enda helt fungerande stora neutrinoteleskopet för närvarande. Man

utnyttjar isen på sjön under vintern som plattform för nedsänkningar och service av

detektorn.

Antares

Version 24/4/02

27

Ett teleskop planerat att placeras i Medelhavet utanför Marseille är Antares

(Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss environmental RESearch). Flera

Europeiska grupper från Frankrike, Storbritannien, Spanien, Tyskland, Italien och

Ryssland deltar i projektet. Antares planerar för 10 strängar med ca 1000 optiska

moduler på ett djup av 2500 meter. Experimentet som startade med tester 1999 har för

närvarande en testutrustning bestående av en sjättedel av en sträng nedsänkt.

Nestor

I den Grekiska övärlden planeras ett neutrinoteleskop, Nestor (Neutrino Extended

Submarine Telescope with Oceanographic Research), på ett djup av ned till 4000

meter. Projektet har nyligen (i slutet av mars 2003) för första gången sänkt ned en

testutrustning bestående av 12 stycken fotomultiplikatorer med en diameter av 40 cm.

Nemo

Nemo (NEutrino Mediterranean Observatory) är ett projekt som siktar på att skapa ett

neutrinoteleskop i Medelhavet utanför Sicilien. Flera positioner undersöks och man

har en preliminär design av 750 meter höga "torn" med 64 optiska moduler i varje.

Totalt planerar man 64 sådana torn med totalt 4096 moduler i en detektor med en

volym i kubikkilometerklassen. Projektet är, än så länge, ett samarbete mellan flera

italienska grupper utan internationellt deltagande.

Anita

Anita (Antarctic Impulse Transient Array) är ett intressant projekt av en helt annan

typ än de neutrinoteleskop i is eller vatten som nämnts ovan. Det ballongburna

experimentet skall cirkla runt Antarktis på en höjd av 15 km för att söka efter

högenergetiska GZK-neutriner skapade i kollisioner mellan kosmisk strålning och

fotoner i mikrovågsbakgrunden. Detta genom att registrera radiovågor som

neutrinoreaktioner genererar i inlandsisen.

Referenser:

Neutrinofysik, Cecilia Jarlskog och Per Olof Hulth, KOSMOS 1981 127

Astroparikelfysik, Lars Bergström, KOSMOS 1993 87

Neutrinon – universums ”doldis”, Lars Bergström, KOSMOS 1999, 41

Reines http://www.nobel.se/physics/laureates/1995/reines-lecture.html

How the sun shines av John N. Bahcall,

http://www.nobel.se/physics/articles/fusion/index.html

Superkamiokande http://www.phys.washington.edu/~superk/

SNO http://www.sno.phy.queensu.ca/

KamLAND http://www.awa.tohoku.ac.jp/html/KamLAND/

Baikal http://baikal-neutrino.da.ru/

Amanda http://amanda.uci.edu/

IceCube http://icecube.wisc.edu/- 27 -april 23, 20038/28/2003

Antares http://antares.in2p3.fr/

Nestor http://www.nestor.org.gr/

Version 24/4/02

28

Nemo http://nemoweb.lns.infn.it/

Anita http://www.ps.uci.edu/~anita/

MARGINALFIGURER MED FEYNMANDIAGRAM!!!

Link to comment
Dela på andra sajter

Det här är tranströmmer.

När han kom ner på gatan

efter kärleksmötet

virvlade snö i luften.

Vintern hade kommit

medan de låg hos varann.

Natten lyste vit.

Han gick fort av glädje.

Hela staden sluttade.

Förbipasserande leenden -

alla log bakom uppfällda

kragar. Det var fritt!

Och alla frågetecken

började sjunga om

Guds tillvaro.

Så tyckte han.

En musik gjorde sig

lös och gick i yrande

snö med långa steg.

Allting på vandring

mot ton C.

En darrande kompass

mot ton C.

En timme ovanför

plågorna.

Det var lätt!

Alla log bakom

uppfällda kragar.

Det var bättre.

Link to comment
Dela på andra sajter

Version 24/4/02

1

Neutriner som budbärare från KOSMOS

...

Det där var nog en kandidat på 20-30-talet, men det känns hopplöst ur tiden idag. Den där typen av formexperiment har inte rönt större framgångar på många decennier.

Link to comment
Dela på andra sajter

Men hur är det med ufona?

Har du hittat nåt? Jag letar alltjämt.

Har bara fått det muntligt ännu.

Detta är spännande.

Kemipriset, att det finns grundämnen som inte följer naturlagarna.

Fysikpriset, att det finns partiklar som färdas snabbare än ljuset.

Link to comment
Dela på andra sajter

TOMAS TRANSTRÖMER, en haiku-dikt, skriven i fängelset:

Pojken dricker mjölk

och somnar trygg i sin cell,

en moder av sten

en annan haikudikt, av Tranströmer. Också den från fängelsetiden som psykolog:

De sparkar fotboll

plötsligt förvirring - bollen

flög över muren.

Redigerat av debatt
Link to comment
Dela på andra sajter

Gäst
Detta ämne är nu stängt för fler svar.

×
×
  • Skapa ny...