Neutrino är kanske de mest underskattade partiklarna som är kända för mänskligheten. Fysiker, smart kille och smart aleck Wolfgang Pauli föreslog först deras existens 1930 som en saknad pusselbit - vissa kärnkraftsreaktioner hade mer inträffat än de hade kommit ut. Pauli resonerade att något litet och osynligt måste involveras - följaktligen neutrino, som är typ av italienska för "liten neutral."
Under decennierna sedan det ursprungliga förslaget har vi lärt känna och älska - men inte helt förstå - de små neutrala fellas. De har lite massa, men vi är inte säkra på hur mycket. Och de kan förändras från en typ av neutrino (kallas en "smak", för varför inte?) Till en annan, men vi är inte säkra på hur.
När fysiker inte förstår något, blir de riktigt upphetsade, eftersom svaret på gåta per definition måste ligga utanför känd fysik. Så mysteriet med neutrino-massa och blandning kan ge oss ledtrådar till sådana mysterier som de tidigaste ögonblicken av Big Bang.
Ett litet problem: litenhet. Neutrino är liten och pratar knappast någonsin med normal materia. Trillioner på biljoner passerar genom din kropp just nu. Ser du dem? Nej, det gör du inte. För att verkligen gräva in neutrinoegenskaper måste vi gå stora och tre nya neutrinoxperiment kommer snart online för att ge oss ett grepp om saker. Vi hoppas.
Låt oss utforska:
DYN
Du kanske har hört spänningen kring en nyinspelning av den klassiska sci-fi-romanen "Dune". Det här är det inte. Istället står detta DUNE för "Deep Underground Neutrino Experiment", som består av två delar. Del 1 kommer att finnas på Fermilab, i Illinois, och kommer att innehålla en jätte-neutrino-pistol med onda genier som kommer att påskynda protoner till nära ljusets hastighet, krossa dem i saker och skjuta biljoner neutrino per sekund från affärsslutet.
Därifrån kommer neutrinoerna att röra sig i en rak linje (för det är allt de vet hur man gör) tills de träffade del två, cirka 800 mil (1.300 kilometer) bort vid Sanford Underground Research Facility i South Dakota. Varför underjordiskt? Eftersom neutrinoer reser i en rak linje (igen, inget annat val) men jorden är böjd, så detektorn måste sitta ungefär en mil (1,6 km) under ytan. Och detektorn är cirka 40 000 ton (36 000 ton) flytande argon.
Hyper-Kamiokande
Föregångaren till den snart blivande Hyper-Kamiokande ("Hyper-K" om du vill vara cool på fysikpartier) var den riktigt kallade Super-Kamiokande ("Super-K" av samma skäl), som ligger nära Hida , Japan. Det är en ganska enkel installation för båda instrumenten: en gigantisk tank med ultrapure vatten omgiven av fotomultiplikatorrör, som förstärker mycket svaga ljussignaler.
Varje gång i en extremt sällsynt stund träffar en neutrino en vattenmolekyl, vilket får en elektron eller en positron (elektronens antimateriapartner) att skottas bort snabbare än ljusets hastighet i vatten. Detta orsakar en blixt av blåligt ljus som kallas Cherenkov-strålning, och det ljuset tas upp av fotomultiplikatorrören. Studera blixt, förstå neutrino.
Super-K gjorde superhistoria 1998 när det gav det första fasta beviset för att neutrinoer förändrar smak när de flyger, baserat på observationer av neutrinoerna som produceras i infernalt djup i solens kärna. Upptäckten nabbade fysikern Takaaki Kajita ett Nobelpris och Super-K en kärleksfull klapp på fotomultiplikatorröret.
Hyper-K är som Super-K men större. Med en kapacitet på 264 miljoner liter (1 miljard liter) vatten har den 20 gånger uppsamlingsvolymen för Super-K, vilket innebär att den potentiellt kan samla 20 gånger antalet neutrinoer samtidigt som Super-K kan. Hyper-K kommer att leta efter neutrinoer som produceras av naturliga, organiska reaktioner, som fusion och supernovor, över hela universum, med början cirka 2025. Vem vet? Det kan också få ett Nobelpris.
PINGU
Jag är inte riktigt säker på varför fysiker väljer de förkortningar de gör för jättevetenskapliga experiment. I detta fall är Pingu namnet på en europeisk animerad pingvin som har olika missförhållanden och lär sig viktiga livslektioner på den södra kontinenten. Det står också för "Precision IceCube Next Generation Upgrade" (PINGU).
IceCube-delen av denna akronym hänvisar till världens största, dåligaste neutrinoxperiment. Baserat på Sydpolen består experimentet av strängar av detektorer som sjönk djupt ned i det polära isarket som kommer att använda kristallens klarhet för att göra samma sak som Super- och Hyper-K gör i Japan: upptäck Cherenkov-strålningen produceras av neutrinoer som går igenom isen. Experimentet började bara verkligen för några år sedan, men redan klarar forskarna som kör det för en uppgradering.
Här är varför. IceCube kan vara stort, men det betyder inte att det är det bästa i alla saker. Den har en blind plats: På grund av dess enorma storlek (en hel kubik kilometer is) har den svårt att se neutrinoer med låg energi; de gör helt enkelt inte tillräckligt med pop och fizzle för att ses av IceCube detektorer.
Gå in i PINGU: ett gäng extra detektorer, anordnade nära IceCube centrum, speciellt utformade för att fånga neutrinoerna med lägre energi som träffar jorden.
När den (förhoppningsvis) kommer online kommer PINGU att gå med i armén av instrument och detektorer runt om i världen som försöker fånga så många av dessa spöklikt nästan inget som möjligt och låsa upp sina hemligheter.
