Super-K ser det osynliga
Den lilla staden Kamioka på den ensliga japanska landsbygden är ett välkänt namn bland världens fysiker. Med hjälp av sin detektor Super-K har japanerna lyckats upptäcka egenskaper hos den svårfångade neutrinopartikeln som ingen trodde existerade.
Att ta på sig tofflor när man ska besöka en forskaranläggning som ligger djupt inne i en gruva känns ganska märkligt. Men i Japan är det den naturligaste sak i världen. I berget Ikenoyama strax utanför Kamioka har Institutet för kosmisk strålningsforskning, ICRR, sin väldiga neutrinodetektor och här har man gjort upptäckter som fått fysiker runt om i världen att häpna. En av dem är Sverker Fredriksson, professor i fysik vid Luleå tekniska universitet.
– I varje ögonblick passerar flera tusen miljarder neutriner genom våra kroppar och de flesta kommer från solen. Eftersom neutrinon sällan reagerar med andra typer av partiklar är den oerhört svår att mäta. Det krävs stora apparater för att lyckas och japanernas resultat visar att neutrinerna tycks ha egenskaper som vi inte alls väntat oss, förklarar han.
Super-Kamiokande som japanerna kallar sin detektor, är närmast att likna vid en vattenfylld ståltank, placerad i ett bergrum. För att avskärma den från oviktiga partiklar, är taket i bergrummet täckt av plast och ett besök i anläggningen känns som att kliva in i en silverfärgad ballong. Plasten kallas för mine guard och är speciellt framtagen för att skydda gruvarbetare från gas som kan frigöras i gruvgångar. Detektorns lock, en 4 millimeter tjock stålplåt, fungerar som golv och här trängs elektronisk utrustning, rörledningar och kalibreringsutrustning. Trycket i berget har fått plåten att bågna, vilket får även ett toffelsteg att mullra som åskan.
Själva detektorn är 42 meter hög och 40 meter i diameter, den innehåller 50 000 ton ultrarent vatten och består av två delar. En tre meter tjock ytterdel som ska skydda mot oviktig bakgrundsstrålning och en inre del där golv, väggar och tak täcks av 11 200 så kallade fotomuliplikatortuber. En sådan ser ut som en halv meter stor glödlampa och förstärker de ljusblixtar som uppstår när neutrinon krockar med en atomkärna i vattnet.
– Ljusblixten som uppstår kallas Tjerenkovstrålning och har mycket karaktäristisk form, den är konformad och när den fångas upp i detektorn ser vi ser den som en ring. Storleken, formen och intensiteten på ljusringen avgör partikelns laddning och den riktning den kom från. Myonneutriner ger upphov till en skarp, distinkt ring jämfört med elektronneutrinerna som avger en luddigare bild. På så sätt kan vi bestämma vilken sorts neutrino det var, förklarar Yoji Totsuka, professor i partikelfysik och chef för Kamiokandeobservatoriet.
Att placera detektorn under jord är viktigt för att slippa bakgrundsstrålning, vilket annars påverkar experimentet. Men även om Ikenoyama har många fördelar har berget också en hel del nackdelar som försvårar forskarnas arbete.
– Ett av våra största problem är att vi behöver rena vattnet i detektorn bättre. I dag har vi flera olika reningssystem som sköter det, men berget är rikt på uran vilket gör att det läcker ut radongas helt nära detektorn. Vi har 100 gånger så hög radonhalt inne i anläggningen som utanför, vilket gör att vi också måste rena luften i anläggningen för att inte förstöra experimentet. Men radonhalten ligger under gränsvärdet, så det ska inte vara farligt för personalen, säger Yoji Totsuka.
De neutriner som Super-Kamiokande registrerar har bildats i kärnreaktioner i solen eller när kosmisk strålning träffat jordens atmosfär. Det finns tre typer av neutriner: elektronneutriner, myonneutriner och tauneutriner. Super-Kamiokande registrerar främst elektron- och myonneutriner och avslöjar cirka 30 reaktioner per dag.
Redan två år efter att detektorn tagits i drift började Super-K ge forskarna nya och oväntade data. Enligt forskarnas teoretiska beräkningar borde de nedåtgående neutriner som kommer från atmosfären vara lika många som de uppåtgående neutriner som färdas genom jordklotet innan de når detektorn. Men när forskarna studerade myonneutrinerna stämde teorin inte alls, de uppåtgående myonneutrinerna var mycket färre än väntat.
– 1998 började vi ana att vi var något nytt på spåren. Resultaten var så tydliga att de inte gick att bortförklara som smuts i detektorn. Vi hade bevis för att neutriner försvann och det var då vi la fram teorin om oscillation, berättar Yoji Totsuka.
Teorin går ut på att myonneutrinerna kan byta form och bli tauneutriner. Totsuka och hans kolleger tror att förvandlingen beror på att de uppåtgående neutrinerna färdas mycket längre än de nedåtgående innan de när detektorn och därmed hinner omvandlas, en process som kan ske flera gånger. Att neutrinon kunde byta form var en tanke som överraskade många fysiker.
– Japanerna såg att neutrinerna försvann, men det är ännu ingen som vet vad som egentligen sker med dem. Tauneutrinerna är nämligen mycket svåra att identifiera och man har ännu inte kunnat bekräfta att myonneutrinerna verkligen blir tauneutriner. Man skulle också kunna tänka sig att de bildar en steril neutrino som inte växelverkar med andra partiklar, att de sönderfaller eller helt enkelt bara försvinner. Det som förvånade oss fysiker var att neutrinon måste ha massa för att kunna omvandlas och hittills hade alla varit överens om att den inte hade det, säger Sverker Fredriksson.
För att två partiklar ska kunna övergå i varandra måste de förutom massa helst ha vissa gemensamma egenskaper, till exempel samma laddning eller samma spinn. Alla tre neutrinopartiklar spinner åt samma håll, men oscillation skulle också kunna ha andra orsaker, menar Sverker Fredriksson:
– Det skulle kunna vara så att neutrinon består av ännu mindre delar och att det är någonting i dem som reagerar och får den att oscillera. Men det vet man inget om än.
Yoji Totsuka förklarar varför upptäckten har fått så stor betydelse i forskarvärlden:
– Vi har länge vetat att den så kallade Standardmodellen som förutspådde att neutrinon saknar massa inte är den slutgiltiga modellen för hur universum fungerar. Att neutrinon kan oscillera innebär det första steget mot en ny teorimodell. Vi behöver inte förkasta de gamla förklaringsförsöken, men vi har fått börja tänka i helt nya banor och det är jättespännande.
Sedan 1998 har ytterligare två detektorer observerat fenomenet, en i USA och en i Italien, och oscillationsteorin är numer allmänt vedertagen. Men japanerna vilar inte på lagrarna utan har stora planer för framtiden. De driver också projektet K2K som går ut på att skjuta en konstgjord myonneutrinostråle från en partikelaccelerator i staden Tsukuba utanför Tokyo och mäta antalet neutriner som når Super-Kamiokande, 25 mil bort. Projektet som pågått i två år har hittills bekräftat oscillationsteorin.
Japanerna planerar också att bygga en ännu större detektor. Anläggningen som går under namnet Hyper-Kamiokande planeras vara klar 2010 och ska bli 420 meter lång och ha en diameter på 60 meter. I det väldiga bergrummet ska åtta stycken enheter på 50 gånger 50 meter ligga, en detektor som ska innehålla ett megaton vatten.
– Måtten är inte helt fastställda ännu, de kan komma att ändras beroende på förhållandena i berget. Gruvbolaget håller på att söka efter en lämplig plats, men det största problemet är nog vad vi ska göra av all sten som måste grävas ut, säger Yoji Totsuka.
Målet med Hyper-Kamiokande är att fortsätta studera neutriner, men också att undersöka protonens eventuella sönderfall, samma ambition som var orsaken till att man byggde Kamiokandeanläggningen i början av 1980-talet.
– Vårt sökande efter protonens sönderfall utvecklades ju inte alls som vi hade trott när vi började för tjugo år sedan. I stället kom vi in på neutriner och oscillation, men nu är vi lustigt nog på väg tillbaka till det här med protonsönderfall igen, säger Yoji Totsuka.
TEXT & FOTO: JOHANNA MÖRTBERG
FAKTA/ Tjerenkovstrålning
(efter Pavel Tjerenkov), strålning som utsänds när laddade partiklar rör sig genom ett transparent medium och deras hastighet överskrider ljusets hastighet i mediet. Fenomenet kan liknas vid den ljudbang som uppstår när ett flygplan rör sig fortare än ljudets hastighet i luft. Tjerenkovstrålning utnyttjas i Tjerenkovdetektorn för partikelidentifikation inom högenergifysiken. Tjerenkovstrålning kan även uppstå i jordatmosfären som en följd av högenergetisk kosmisk strålning.
Källa: Nationalencyklopedien
Artikeln publicerades i Naturvetaren nr 7 2001