Neutrino är kanske den mest förbryllande av de kända partiklarna. De släpper helt enkelt alla kända regler för hur partiklar borde agera. De spottar på våra snygga detektorer. Liksom kosmiska katter trappar de över hela universumet utan oro eller vård, interagerar ibland med resten av oss, men egentligen bara när de känner för det, vilket ärligt talat inte är så ofta.
Mest frustrerande av allt, de bär masker och ser aldrig ut samma sätt två gånger.
Men ett nytt experiment kan ha tagit oss bara ett steg närmare att rippa bort de maskerna. Att avslöja den verkliga neutrinoidentiteten kan hjälpa till att svara på långvariga frågor, till exempel om neutrino är deras egna antimateriapartner, och det kan till och med hjälpa till att förena naturens krafter i en sammanhängande teori.
Ett massivt problem
Neutrino är konstiga. Det finns tre typer: elektronneutrino, muonneutrino och tauneutrino. (Det finns också antipartikelversionerna av dessa tre, men det är inte en stor del av den här berättelsen.) De heter så för att dessa tre sorters får fest med tre olika partiklar. Elektronneutrino förenar interaktioner som involverar elektron. Muon-neutrinoer kopplas ihop med muoner. Inga poäng kommer att delas ut för att gissa vad tau neutrino interagerar med.
Hittills är det inte konstigt alls. Här kommer den konstiga delen.
För partiklar som är inte neutrinoer - som elektroner, muoner och taupartiklar - vad du ser är vad du får. Dessa partiklar är alla exakt desamma utom för deras massor. Om du upptäcker en partikel med massan av en elektron, kommer den att bete sig exakt som en elektron bör bete sig, och detsamma gäller för muon och tau. När du mer än ser en elektron kommer det alltid att vara en elektron. Varken mer eller mindre. Samma för muon och tau.
Men detsamma gäller inte för deras kusiner, elektron-, muon- och tau-neutrinoerna.
Det vi kallar "tau neutrino" är inte alltid tau neutrino. Det kan ändra sin identitet. Det kan bli, mittflyg, en elektron- eller muonneutrino.
Detta konstiga fenomen som egentligen ingen förväntade sig kallas neutrino-svängning. Det betyder bland annat att du kan skapa en elektronneutrino och skicka den till din bästa vän som present. Men när de får det kan de bli besvikna över att hitta en tau neutrino istället.
Gungbrädan
Av tekniska skäl fungerar neutrinooscillationen endast om det finns tre neutrinoer med tre olika massor. Men neutrinoerna som svänger är inte de elektron-, muon- och tau-smaksatta neutrinoerna.
Istället finns det tre "riktiga" neutrinoer, var och en med olika, men okända massor. En distinkt blandning av dessa riktiga, grundläggande neutrinoer skapar var och en av neutrino-smakerna som vi upptäcker i våra laboratorier (elektron, muon, tau). Så, den laboratoriemättade massan är en blandning av de riktiga neutrino-massorna. Samtidigt styr massan för varje sann neutrino i blandningen hur ofta den förändras i var och en av de olika smakerna.
Jobbet för fysiker nu är att avbryta alla relationer: Vilka är massorna av de riktiga neutrinoerna, och hur blandar de sig ihop för att göra de tre smakerna?
Så fysiker är på jakt för att avslöja massorna av de "riktiga" neutrinerna genom att titta på när och hur ofta de byter smaker. Återigen är fysiksjargongen mycket hjälpsam när man förklarar detta, eftersom namnen på dessa tre neutrinoer helt enkelt är m1, m2 och m3.
En mängd noggranna experiment har lärt forskare vissa saker om massorna av de sanna neutrinerna, åtminstone indirekt. Till exempel vet vi om några av förhållandena mellan massornas kvadrat. Men vi vet inte exakt hur mycket någon av de riktiga neutrinoerna väger, och vi vet inte vilka som är tyngre.
Det kan vara så att m3 är den tyngsta, långt uppväger m2 och m1. Detta kallas "normal beställning" eftersom det verkar ganska normalt - och det är de beställande fysikerna som i princip gissades för decennier sedan. Men baserat på vårt nuvarande kunskapstillstånd kan det också vara så att m2 är den tyngsta neutrino, med m1 inte långt efter och m3 grov i jämförelse. Detta scenario kallas "inverterad beställning", eftersom det betyder att vi gissade fel ordning från början.
Naturligtvis finns det läger av teoretiker som pining för varje av dessa scenarier att vara sant. Teorier som försöker förena alla (eller åtminstone de flesta) av naturkrafterna under ett enda tak kräver vanligtvis normal neutrino-massan. Å andra sidan är ordningen med omvänd massa nödvändig för att neutrinoen ska vara sin egen antipartikel-tvilling. Och om det var sant, kan det hjälpa till att förklara varför det finns mer materia än antimateria i universum.
DeepCore-träning
Vilket är det: normalt eller inverterat? Det är en av de största frågorna från de senaste par decennierna med neutrino-forskning, och det är exakt den typ av fråga som det massiva IceCube Neutrino Observatory var utformat för att besvara. Beläget vid södra polen, består observatoriet av dussintals strängar av detektorer som sjönk ner i Antarktisens isark, med en central "DeepCore" av åtta strängar av mer effektiva detektorer som kan se interaktioner med lägre energi.
Neutrinoer pratar knappt med normal materia, så de är perfekt kapabla att tränga rakt igenom jorden själv. Och när de gör det kommer de att förändras i de olika smakerna. Varje gång i en sällsynt stund kommer de att träffa en molekyl i det antarktiska isarket nära IceCube-detektorn och utlösa en övergripande dusch av partiklar som avger ett överraskande blått ljus som kallas Cherenkov-strålning. Det är detta ljus som IceCube-strängarna upptäcker.
I en nyligen publicerad artikel publicerad i förtrycktidsskriftet arXiv använde IceCube-forskare tre års DeepCore-data för att mäta hur många av varje slags neutrino som passerade genom jorden. Framstegen är naturligtvis långsam eftersom neutrinoer är så svåra att fånga. Men i detta arbete. forskarna rapporterar en liten preferens i uppgifterna för normal beställning (vilket skulle betyda att vi gissade för decennier sedan). Men de har hittat ingenting för avgörande ännu.
Är det allt vi får? Absolut inte. IceCube förbereder sig snart på en större uppgradering, och nya experiment som Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) och Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) är på väg att ta itu med denna centrala fråga också. Vem visste att en så enkel fråga om ordning av neutrino-massor skulle avslöja så mycket av universums funktionssätt? Det är synd att det inte heller är en lätt fråga.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av "Fråga en Spaceman" och "Space Radio, "och författare till"Din plats i universum."
