Neutrinos sind vielleicht die am meisten unterschätzten Teilchen, die der Menschheit bekannt sind. Der Physiker, kluge Kerl und kluge Aleck Wolfgang Pauli schlug ihre Existenz 1930 erstmals als fehlendes Puzzleteil vor - bestimmte Kernreaktionen gingen mehr ein als heraus. Pauli argumentierte, dass etwas Winziges und Unsichtbares involviert sein musste - daher das Neutrino, das für "kleines neutrales" eine Art Italienisch ist.
In den Jahrzehnten seit diesem ersten Vorschlag haben wir diese kleinen neutralen Kerle kennengelernt und geliebt - aber nicht vollständig verstanden. Sie haben ein bisschen Masse, aber wir sind uns nicht sicher, wie viel. Und sie können sich von einer Art von Neutrino (genannt "Geschmack", weil warum nicht?) Zu einer anderen verwandeln, aber wir sind uns nicht sicher, wie.
Wenn Physiker etwas nicht verstehen, werden sie sehr aufgeregt, denn per Definition muss die Antwort auf das Rätsel außerhalb der bekannten Physik liegen. Das Geheimnis der Neutrinomasse und des Mischens kann uns also Hinweise auf Geheimnisse wie die frühesten Momente des Urknalls geben.
Ein kleines Problem: Kleinheit. Neutrinos sind winzig und sprechen kaum mit normaler Materie. Billionen über Billionen gehen gerade durch Ihren Körper. Merkst du sie? Nein, tust du nicht. Um die Neutrinoeigenschaften wirklich zu erforschen, müssen wir groß rauskommen, und drei neue Neutrinoexperimente werden bald online gehen, um uns einen Überblick über die Dinge zu geben. Wir hoffen.
Lass uns erforschen:
DÜNE
Sie haben vielleicht die Aufregung über ein Remake des klassischen Science-Fiction-Romans "Dune" gehört. Das ist es nicht. Stattdessen steht diese DUNE für das "Deep Underground Neutrino Experiment", das aus zwei Teilen besteht. Teil eins wird in Fermilab in Illinois sein und eine riesige Neutrino-Kanone im Stil eines bösen Genies enthalten, die Protonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, sie in Dinge zerschmettert und Billionen Neutrinos pro Sekunde aus dem Geschäftsende schießt.
Von dort aus bewegen sich die Neutrinos in einer geraden Linie (denn das ist alles, was sie zu tun wissen), bis sie den zweiten Teil erreichen, der etwa 1.300 Kilometer entfernt in der Sanford Underground Research Facility in South Dakota liegt. Warum unterirdisch? Da sich Neutrinos in einer geraden Linie bewegen (wiederum keine Wahl), die Erde jedoch gekrümmt ist, muss der Detektor etwa 1,6 km unter der Oberfläche sitzen. Und dieser Detektor besteht aus etwa 40.000 Tonnen (36.000 Tonnen) flüssigem Argon.
Hyper-Kamiokande
Der Vorgänger des zukünftigen Hyper-Kamiokande ("Hyper-K", wenn Sie auf Physikpartys cool sein wollen) war der treffend benannte Super-Kamiokande ("Super-K" aus den gleichen Gründen) in der Nähe von Hida , Japan. Es ist eine ziemlich einfache Einrichtung für beide Instrumente: ein riesiger Tank mit hochreinem Wasser, umgeben von Fotovervielfacherröhren, die sehr schwache Lichtsignale verstärken.
In einer äußerst seltenen Zeit trifft ein Neutrino auf ein Wassermolekül, wodurch ein Elektron oder ein Positron (der Antimateriepartner des Elektrons) schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser davonrutscht. Dies verursacht einen bläulichen Lichtblitz, der als Cherenkov-Strahlung bezeichnet wird, und dieses Licht wird von den Photovervielfacherröhren aufgenommen. Studiere den Blitz, verstehe das Neutrino.
Super-K schrieb 1998 Supergeschichte, als es den ersten soliden Beweis dafür lieferte, dass Neutrinos während des Fluges ihren Geschmack ändern, basierend auf Beobachtungen der Neutrinos, die in den höllischen Tiefen des Sonnenkerns produziert wurden. Die Entdeckung brachte dem Physiker Takaaki Kajita einen Nobelpreis und Super-K einen liebevollen Klaps auf die Fotovervielfacherröhre ein.
Hyper-K ist wie Super-K, aber größer. Mit einer Kapazität von 1 Milliarde Litern Wasser hat es das 20-fache des Sammelvolumens von Super-K, was bedeutet, dass es möglicherweise das 20-fache der Anzahl von Neutrinos in der gleichen Zeit wie Super-K sammeln kann. Hyper-K wird ab etwa 2025 nach Neutrinos suchen, die durch natürliche, organische Reaktionen wie Fusion und Supernovae im gesamten Universum erzeugt werden. Wer weiß? Es könnte auch jemandem einen Nobelpreis bringen.
PINGU
Ich bin mir nicht ganz sicher, warum Physiker die Akronyme wählen, die sie für riesige wissenschaftliche Experimente verwenden. In diesem Fall ist Pingu der Name eines europäischen animierten Pinguins, der verschiedene Missgeschicke hat und wichtige Lektionen aus dem Leben auf dem südlichen Kontinent lernt. Es steht auch für "Precision IceCube Next Generation Upgrade" (PINGU).
Der IceCube-Teil dieses Akronyms bezieht sich auf das größte und schlimmste Neutrino-Experiment der Welt. Das Experiment basiert auf dem Südpol und besteht aus Detektorketten, die tief in die polare Eisdecke eingelassen sind und die Kristallklarheit dieses Eises nutzen, um dasselbe zu tun, was Super- und Hyper-K in Japan tun: die Cherenkov-Strahlung zu erfassen produziert durch Neutrinos, die durch das Eis zischen. Das Experiment hat erst vor ein paar Jahren richtig begonnen, aber bereits die Wissenschaftler, die es durchführen, haben Lust auf ein Upgrade.
Hier ist der Grund. IceCube mag groß sein, aber das bedeutet nicht, dass es überhaupt das Beste ist. Es hat einen blinden Fleck: Aufgrund seiner enormen Größe (ein ganzer Kubikkilometer Eis) fällt es ihm schwer, energiearme Neutrinos zu sehen. Sie machen einfach nicht genug Pop und Sprudel, um von den Detektoren von IceCube gesehen zu werden.
Betreten Sie PINGU: eine Reihe zusätzlicher Detektoren, die in der Nähe des Zentrums von IceCube angeordnet sind und speziell zum Auffangen der Neutrinos mit niedrigerer Energie entwickelt wurden, die auf die Erde treffen.
Wenn es (hoffentlich) online geht, wird sich PINGU der Armee von Instrumenten und Detektoren auf der ganzen Welt anschließen, die versuchen, so viele dieser gespenstischen kleinen Fast-Nichts wie möglich zu fangen und ihre Geheimnisse zu entschlüsseln.
