How big is Högenergineutrino?

En högenergineutrino är en neutrino som bär på en mycket stor mängd energi, liksom de neutriner som når jorden från rymdens djup. Neutriner är elementarpartiklar utan elektrisk laddning och med nästan ingen massa. Inget experiment har mätt storleken hos en neutrino, så den siffra som visas är ingen mätning.

Storlek

Storleksraden anger 15 zeptometer, eller 1,5 × 10⁻²⁰ meter. En zeptometer är 10⁻²¹ meter, en tusendel av en miljarddel av en miljarddel av en meter. Skrivsättet 10⁻²¹ betyder 1 delat med en etta följd av 21 nollor. Utforskaren anger inte vilken energi dess högenergineutrino har, och inget experiment har mätt storleken hos neutriner oavsett vilken energi de har.

För kvarkar har experiment åtminstone satt en övre gräns för storleken. För neutriner har fysiker inte ens kommit överens om hur en storlek ska definieras. Particle Data Group, som samlar världens mätningar av partiklar, anger gränser för en storhet som kallas neutrinons laddningsradie. Gruppen noterar också att innebörden av den storheten fortfarande är omstridd.

Det som är väl känt är hur sällan neutriner växelverkar med något. En neutrino påverkas bara av två av de fyra grundläggande krafterna, den svaga kraften och gravitationen. Eftersom den inte har någon elektrisk laddning knuffas eller dras den inte av elektriska och magnetiska krafter, och den känner inte av den starka kraften som binder samman kvarkar.

Storleksjämförelser

Bortsett från gravitationen kan en neutrino påverka en annan partikel bara genom den svaga kraften, som når cirka 10⁻¹⁸ meter. Det är mindre än en tusendel av bredden hos en proton, som är cirka 1,7 femtometer (1,7 × 10⁻¹⁵ meter) i diameter.
De flesta neutriner passerar rakt igenom hela jorden, som är 12 742 kilometer i diameter, utan att stoppas.
Chansen för en träff växer med energin. En neutrino med en energi på 40 TeV (40 biljoner elektronvolt, där en elektronvolt är en mycket liten energienhet) färdas i genomsnitt ungefär jordens bredd innan jorden stoppar den.
För att fånga de få neutriner som faktiskt växelverkar övervakar detektorn IceCube vid Sydpolen en kubikkilometer is, med 5 160 ljussensorer som hänger på djup mellan 1 450 och 2 450 meter under ytan.

Neutriner från rymden

Mellan maj 2010 och maj 2012 registrerade IceCube 28 högenergihändelser, långt fler än de cirka 11 som väntades från partiklar som bildas i jordens atmosfär. De två med mest energi hade vardera cirka 1 PeV, eller 1 000 TeV. År 2013 rapporterade IceCube-gruppen dem som belägg för högenergineutriner från rymden.

Den 13 februari 2023 registrerade detektorn ARCA i teleskopet KM3NeT, på 3 450 meters djup i Medelhavet utanför Sicilien, en neutrino med en uppskattad energi på cirka 220 PeV. År 2026 är det den neutrino med mest energi som någonsin har observerats. Den enskilda partikeln hade ungefär lika mycket energi som en tennisboll som släpps från en höjd på 6 centimeter.

Forskare tror att sådana neutriner kommer från de mest våldsamma platserna i universum, till exempel omgivningarna kring supermassiva svarta hål och exploderande stjärnor. Där accelereras partiklar som kallas kosmisk strålning till enorma energier och kan ge upphov till neutriner.

Hur neutriner fångas in

Neutriner är den näst vanligaste partikeln i universum, efter fotoner, ljusets partiklar. Ändå växelverkar de så sällan att, med orden i läroboken Astronomy från OpenStax, ”jorden är mer genomskinlig för en neutrino än den tunnaste och renaste glasrutan är för en foton av ljus”. För att fånga dem krävs enorma detektorer.

IceCube och KM3NeT övervakar enorma volymer is eller havsvatten. När en neutrino väl träffar något skapar den elektriskt laddade partiklar som avger ett blåaktigt sken som kallas tjerenkovstrålning. Sensorer registrerar skenet, och fysiker använder det för att räkna ut neutrinons riktning och energi.