1:a upplagan
Copyright © 1990 by Mikael Bonnier, Lund, Sweden.
All rights reserved.
Pauli postulerade neutrinon 1930, för att lagen om energiens bevarande skulle gälla även vid betasönderfall. Ett omdiskuterat ämne i detta sammanhang är frågan om neutrinons massa. Den har bland annat betydelse för kosmologin, d.v.s. om universums expansion kommer att bromsas och kommer universum i så fall att kollapsa. Bigbangteorin som tycks förklara nästan alla observerade astronomiska fenomen, förutsäger en viss koncentration av neutrinos. Neutrinokoncentrationen är kopplad till fotonkoncentrationen, och kan beräknas till att vara 220 neutrinos per cm3.
Ett annat olöst problem är hur galaxer, galaxhopar och superhopar har uppstått, möjligen kan neutrinos med massa spela en roll här. De skulle kunna åstadkomma den nödvändiga inhomogeniteten. Om neutrinos har massa så kan detta förklara det observerade överskottet på mörk materia jämfört med lysande i galaxer.
Ett astrofysikaliskt problem är solneutrinoproblemet, d.v.s. att det registreras färre neutrinos från solen i detektorer, än vad man kan vänta sig från teori för kärnreaktioner. Varje icketrivial förklaring på denna avvikelse mellan experiment och teori är en vetenskaplig sensation av första rangen. Det kan tyda på att något är fel på våra nuvarande teorier om neutrinons egenskaper. Det kan också bero på någon brist i den nuvarande teorin för kärnreaktionerna i solen.
Fermis teori för betasönderfall bygger på antagandet att neutrinomassan är noll, skulle det visa sig att neutrinomassan är skild från noll, så måste denna teori modifieras.
Att det registreras färre elektronneutrinos från solen än väntat, kan bero på att de förvandlas till andra sorters neutrinos (my, tau) på väg mot jorden. Detektorerna kan endast registrera elektronneutrinos. Dessa s k neutrinooscillationer är, enligt den elektrosvaga teorin, endast möjliga om neutrinos har en massa skild från noll. Ett nytt solneutrinoexperiment, GALLEX, startar våren 1990 [1]. Det är uppbyggt i en biltunnel genom italienska Gran-Sasso-massivet. Detektorn består av en tank med motsvarande 30 ton rent Gallium. Detektionsreaktionen är det inversa betasönderfallet:
71Ga + ve --> 71Ge + e-.
Germaniet sönderfaller sedan genom elektroninfångning, T½ = 11.4 d. Det är detta sönderfall som registreras. Det sker genom att det bildade germaniet extraheras ur tanken på kemisk väg och transporteras till en proportionalräknare. Anledningen till att endast elektron- och inte my- eller tauneutrinos registreras är att myon- och tauonmassan är betydligt större än elektronmassan. Tröskelenergin blir därför betydligt större vid my- och taureaktioner, så stor att inga neutrinos från solen har denna energi.
Genom att mäta neutrinoflödet på olika avstånd från en kärnreaktor skulle man kunna påvisa neutrinooscillationer. Bortsett från omstridda resultat av en fransk grupp, som arbetade vid Bugey-reaktorn [2], har man ännu inte lyckats observera några neutrinooscillationer. Både reaktor- och acceleratorexperiment har prövats, men utan resultat. T.ex. vid Gösgen-reaktorn i Schweiz lyckades man inte observera neutrinooscillationer [3]. Dessa negativa resultat kan alltså tyda på att neutrinomassan är lika med noll.
Tritium sönderfaller med halveringstiden 12,3 år enligt:
3H --> 3He+ + ß- + v.
Elektronens maxenergi beror på neutrinons massa. Man använder formen på betaspektrat nära den övre energi- eller rörelsemängdsgränsen. Det är bäst att använda ett sönderfall med ett litet Q-värde, detta ökar andelen sönderfall nära ändpunktsenergin, dessutom behöver den relativa upplösningen hos spektrometern inte vara så stor. Man vill också ha så hög aktivitet som möjligt. Dessutom måste de atomära eller molekylära sluttillstånden vara välkända. Tritium är ett gott val ur alla dessa synvinklarna. Man behöver alltså inte detektera neutrinon på något sätt i dessa s k Tritium-ß-sönderfalls experiment.
Den förväntade låga räknehastigheten nära ändpunktsenergin gör att bakgrundsstrålningen blir ett problem. Det är svårt att hantera en radioaktiv atomär gas som tritium, ett speciellt problem är att konstruera ett fönsterlöst elektronspektoskop som inte släpper in gasen. Spektroskopet måste ju vara fönsterlöst för att man skall kunna detektera elektronerna. En lösning på problemet är att istället använda organiska föreningar med tritium, t.ex. Valine. Men detta ökar problemen med att beräkna energierna för de molekylära initial- och sluttillstånden. Osäkerheten blir allvarlig först vid undersökningar av neutrinomassan under ca 10 eV. En rysk grupp vid ITEP publicerade 1980 en neutrinomassa med både övre och undre gräns [2 & 3]. Noggrannheten i mätningarna har sedan förbättrats och ITEP's nuvarande resultat är 33±1.1 eV (60% konfidensgräns). Ett resultat publicerat av W. Kündig, Zürich, 1986 är: neutrinomassan är mindre än 18 eV [2]. Detta resultat står alltså i strid med ITEP's -- det finns även ett resultat från en japansk grupp som är mindre än ITEP-resultatet.
Det finns två typer av dubbla ß-sönderfall, det ena är tvåneutrinosönderfallet, det andra är nollneutrinosönderfallet.
Tvåneutrino: Z --> (Z+2) + e1- + v1 + e2- + v2.
Nollneutrino: Z --> (Z+2) + e1- + e2-.
Det första har observerats, både med geokemisk teknik och med räknare. Med geokemisk teknik kan man egentligen inte skilja mellan två- och nollneutrino-sönderfallet, utan man vet att något av dessa måste ha inträffat. Om nollneutrino-sönderfallet kan inträffa medför detta, enligt en standardteori, att neutrinomassan är skild från noll. Det finns dock andra teorier som inte behöver någon neutrinomassa för att förklara nollneutrinosönderfallet [3].
Mekanismen för nollneutrinosönderfallet ser ut så här: en neutron n1 avger en elektron e1 och en (anti)neutrino, neutrinon omvandlas vid en neutron n2 till en elektron e2. De inblandade neutronerna blir protoner.
Detta sönderfall förutsätter att antineutrinon och neutrinon är identiska partiklar, d v s neutrinon är en s k Majoranapartikel. Dessutom, i standardteorin kan endast rent högerhänta (spinn parallellt rörelsemängd) antineutrinos avges, och endast rent vänsterhänta (spinn antiparallellt rörelsemängd) neutrinos absorberas. Konservering av rörelsemängdsmomentet förbjuder nollneutrinosönderfallet. Endast om den rena heliciteten är bruten kan detta sönderfall inträffa. Ett av de enklaste sätten att åstadkomma den brutna heliciteten är att anta att neutrinon har en vilomassa.
Ett bevis för nollneutrinosönderfallet skulle vara om man hittade en monokromatisk topp i energispektrat för elektronerna. En kandidat för en sådan mätning är sönderfallet:
76Ge --> 76Se + e1- + e2-.
Germanium är både källa och detektor. Man söker efter en topp på 2,04 keV. De hittills största experimenten använder ca 1000 cm3 germanium. Liksom solneutrinoexperimenten utförs dessa djupt under markytan för att skydda mot kosmisk strålning. Efter 4000 timmars mätning har man ännu inte kunnat finna någon topp. Detta betyder en övre gräns på neutrinomassan på ungefär 10 eV [3].
Ett annat sätt är att använda en sorts bubbelkammare, en s.k. time projection chamber (TPC). Med en sådan söker man också efter en monokromatisk topp. Detektorer (och källor) med flytande eller gasformig 136Xe har föreslagits. Med denna typ av detektor kan man undersöka neutrinomassor ner till 1 eV eller lägre.
Den geokemiska metoden innebär att man utvinner dotter (Z+2) och moder (Z) från bergmaterial. Man får då reda på halveringstiden för både tvåneutrino- och nollneutrinosönderfallet tillsammans. Genom att teoretiskt beräkna de partiella halveringstiderna kan man jämföra med den uppmätta totala halveringstiden. Med hjälp av en bubbelkammare är det i vissa fall möjligt att mäta tvåneutrino-sönderfallstiden direkt. Osäkerheten vid dessa bestämningar av nollneutrino-sönderfallstiden ligger i bestämningen av åldern hos bergmaterialet.
Med antaganden om samband mellan halveringstid hos nollneutrino-sönderfallet och neutrinomassan enligt Haxton et al [3], får man övre gränser för massan mellan 5 och 12 eV, för olika grundämnen.
Om det visar sig att neutrinomassan är skild från noll kommer detta att innebära en revolution inom elementarpartikelfysik, astrofysik och kosmologi. Om det däremot är så att neutrinomassan verkligen är noll så tror jag att det blir svårt att hitta ett positivt bevis för detta. Kanske kommer den övre massgränsen att pressas ner till under 1 eV. Den mest hoppingivande vägen för att undersöka neutrinomassan i framtiden synes mig vara det dubbla ß-sönderfallet.
Referenser
1 E. Dreisigacker, Solarneutrino-Experimente - ein Statusbericht,
Phys. Bl. 45 (1989) Nr. 12
2 W. Kündig, Eine obere Grenze für die Masse des Elektron-Neutrinos,
Phys. Bl. 42 (1986) Nr. 11 s. 380
3 F. Boehm and P. Vogel,
LOW-ENERGY NEUTRINO PHYSICS AND NEUTRINO MASS,
Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 1984. 34:125-53
4 K. S. Krane, INTRODUCTORY NUCLEAR PHYSICS, Wiley 1988.
p. 286-288 and p. 295-298