Hvorfor partikelfysikere går vildt for en rekordstor neutrino

Sidste måneds opdagelse af den mest energiske neutrino, der endnu er opdaget, er utroligt spændende for amerikanske partikelfysikere – men det rejser også mange spørgsmål, siger Chanda Prescod-Weinstein

Hvis du nogensinde har spist en banan, har du fortæret en aktiv strålingskilde. De er rige på kalium, hvoraf en lille brøkdel er den naturligt forekommende radioaktive isotop ⁴⁰K (kalium-40). Selvom dette måske lyder skræmmende, er niveauerne sikre til konsum, og de har en sjov bivirkning: neutrinoer. Beta -forfald, en af ​​måderne ustabile atomer kan gennemgå radioaktivt forfald, omdanner kalium til calcium med en side, der hjælper med elementære partikler: en elektron og en neutrino.

Nogle gange omtalt som ”spøgelsespartikler” er neutrinoer faktisk fætre af elektronet. Ligesom elektroner er de elementære partikler, der ikke kan opdeles i mindre dele. Deres iboende, kvantefølelse af rotation har den samme værdi som Electron’s. Der er dog grundlæggende forskelle. Mens elektroner har en elektrisk ladning og dermed interagerer stærkt med stof, er neutrinoer ikke og siges at være spøgelseslignende, fordi de interagerer med næsten intet. Mens du har læst dette, passerede ca. 6000 billioner neutrinoer gennem din krop. Ingen stoppede dog for at hænge ud, fordi vi i det væsentlige er usynlige for dem.

Selvom hvert elektron i universet er identisk med alle andre elektroner, kommer neutrinoer i tre varianter: elektronneutrino, muon -neutrino og tau -neutrino. Neutrinoer adskiller sig også fra elektroner på en anden måde: vi forstår meget mindre om dem. At forklare, hvordan de får masse, forbliver et stort mysterium i partikelfysik. Vi er ikke engang sikre på, hvad deres masser er, bortset fra at de er meget små – så små, at vi i et stykke tid spekulerede på, om de var helt masseløse, hvilket ville betyde, at de var i stand til at rejse med lysets hastighed. Vi ved nu, at selvom de kan komme tæt på denne maksimale hastighed, bremses de af en lille smule masse.

Men dette er ikke det mest fantastiske træk ved neutrino -opførsel, når de bevæger sig gennem rummet. Neutrinoer er dybt usædvanlige, fordi deres identitet kan ændre sig, når de modnes. En elektronneutrino forbliver ikke nødvendigvis en elektronneutrino; Det kan på et tidspunkt blive en muon eller tau-type i stedet. Med andre ord er neutrinoer ikke-træk, der svinger mellem og blander tre mulige identiteter. Vi partikelfysikere mener, at denne ikke-trækhed på en eller anden måde er relateret til, hvordan neutrinoer får deres masse, men vi er stadig ikke sikre.

Neutrinos fødested var sandsynligvis nær et ekstremt massivt sort hul aktivt akkreterende materiale

Neutrinoer kan være et mysterium i deres egen ret, men de kan give os et indblik i andre kosmiske spørgsmål. Faktisk er neutrinoer blevet et vigtigt alternativ til fotoner til at observere kosmos, fordi fænomener som stjerner, sorte hul akkretionsskiver og supernovae udsender dem.

Søgningen efter disse kosmiske neutrinoer giver lejlighedsvis meget spændende resultater. Sidste måned annoncerede forskere ved det europæiske kubikkilometer neutrino-teleskop (KM3NET), at de havde set bevis for et 220 PETA-Electronvolt (PEV) Neutrino, den mest energiske nogen, som nogen har opdaget. En energi, denne høj, kan sammenlignes med det energiske miljø omkring en neutronstjerne, som er den næst mest kompakte type objekt i universet efter et sort hul. I modsætning hertil kom tidligere målinger af neutrinoer “kun” ind på omkring 10 PEV. Denne nye er 20 gange mere energisk.

KM3Net fangede ikke neutrinoen direkte, da disse partikler, som jeg nævnte, er svære at få vores hænder på. I stedet fangede teleskopets detektor en meget energisk muon, en anden elementær partikel. Ved hjælp af vores forståelse af teorien bag neutrino- og muon -interaktioner var forskere i stand til at rekonstruere Muons sti. Det mest sandsynlige scenarie er, at Muon blev oprettet af en 220 PEV -neutrino, der kolliderer med en anden elementær partikel.

Opdagelsen rejser nye spørgsmål. Fordi neutrinoen var usædvanligt energisk, kan det have en anden oprindelseshistorie end andre kosmiske neutrinoer, vi har set. Der er meget få kosmiske miljøer, der skaber betingelserne for sådanne energiniveau, hvilket antyder, at neutrinos fødested var i nærheden af ​​et særligt massivt sort hul med en meget aktiv akkretionsskive.

Et af de dejlige aspekter af KM3Net’s opdagelse er, at det skaber muligheden for, at neutrinoer vil hjælpe os med at få information om disse ekstremt massive sorte huller, samtidig med at de validerer et 30-årigt forslag om, at sådanne sorte huller kunne bruges til bedre at forstå neutrinos ikke-bagatale karakter. Dette er en påmindelse om, at videnskab kan være en langsom forbrænding, der kræver tålmodighed og vedholdenhed, mens neutrinoer er en påmindelse om, at identitetsovergange er et naturligt fænomen. Og mysteriet omkring, hvordan og hvorfor disse overgange forekommer, hjælper os med at sætte pris på, at universet forbliver fuld af muligheder for bedre at forstå virkeligheden, når vi er åbne for alle muligheder.

Chandas uge

Hvad jeg læser

Jeg har haft det Sig aldrig, at du ikke kan overleve: hvordan man kommer igennem hårde tider ved at sammensætte historier Af Charlie Jane Anders.

Hvad jeg ser på

For første gang ser jeg hver episode af De gyldne piger.

Hvad jeg arbejder på

I disse svære tider prøver jeg at holde kontakten med min følelse af forundring og mulighed.