Svar:
Du ställer frågor som är centrala i partikelfysiken och som det inte finns något definitivt svar på. Om neutrinons vilomassa = 0 skulle det innebära att de rör sigmed ljusets hastighet. Man har faktiskt kunnat mäta neutriners hastighet. Nämligen när man observerade supernovautbrottet år 1987, SN 1987A. Stjärnan som fick sittutbrott är på avståndet ca 180 000 ljusår. Ungefär samtidigt som man såg att stjärnan flammade upp så registrerade man en "skur" (19 st) av neutrinos. Mankunde på detta sätt jämföra fotonernas och neutrinernas hastighet. Trots att de varit på väg i 180 000 år så kommer de fram ungefär samtidigt! Man kundeockså jämföra hastigheten hos neutrinos med olika energi. Om vilomassan är exakt = 0 så rör de sig med ljusets hastighet oberoende av energin. Omvilomassan däremot är skilt från 0 så rör sig de med högre energi snabbare. Man har analyserat observationerna från supernovautbrottet, se länk 1, och bestämt en övregräns för neutrinons massa. Detta tillsammans med andra experiment visar att neutrinons massa måste vara mindre än 5,1 eV dvs mindre än 1/100000 avelektronens massa.

Bilden nedan från länk 1 visar energi (vertikalt) mot ankomsttid (horisontellt) för ett antal neutriner från supenovan från 1987. Man kan med lite god vilja ana en tendens att neutriner med hög energi (dvs hög hastighet) kommer före neutriner med lägre energi.

1995, 2002 och 2015 års Nobelpris i fysik belönade experiment i detta område av fysiken, se The Nobel Prize in Physics - Laureates. Där finner Du utmärkta sammanfattningar av de fysikaliska grunderna.

/GO/lpe 1999-10-27

Svar:
Nobelpris i fysik 2015

Neutrinooscillationer

Takaaki Kajita, Arthur B. McDonald

”för upptäckten av neutrinooscillationer, som visar att neutriner har massa”

Neutrino: Neutrinon är en elementarpartikel, som tillhör gruppen leptoner och saknar elektrisk laddning. Den har halvtaligt spinn och är därför en fermion. Neutrinon har mycket liten massa och är universums mest förekommande partikel.

Neutrinooscillationer är ett fenomen i elementarpartikelfysiken som innebär att neutriner, som kan skapas och detekteras i tre väl definierade skilda slag (aromer) kan ändra karaktär på väg från källa till detektor.

Neutrinooscillationer kan inträffa om elektron-, myon- och tauneutriner har olika massa, vilket innebär att de inte alla kan vara masslösa. I partikelfysikens standardmodell är neutrinerna exakt masslösa. Vittnesbörd om neutrinooscillationer är därför ett tecken på ny fysik bortom Standardmodellen. (Från svenska Wikipedia)

Neutrinoocillation är ett kvantmekaniskt fenomen, och som vanligt när det gäller dessa är det svårt (på en fundamental nivå omöjligt) att förstå, se Neutrino_oscillations. Lite kan man dock förstå relativt enkelt:

De tre aromerna av neutriner är sammansatta av tre neutriner med olika massa (m₁, m₂ och m₃):

&124;elektron> = e₁&124;m₁> + e₂&124;m₂> + e₃&124;m₃>

&124;myon> = m₁&124;m₁> + m₂&124;m₂> + m₃&124;m₃>

&124;tauon> = t₁&124;m₁> + t₂&124;m₂> + t₃&124;m₃>

Massdifferenserna mellan typ 1, 2 och 3 är mycket små - bråkdelar av eV. Energier hos typiska neutriner vi observerar är MeV eller GeV. Men det är den totala energin vi måste bevara - det finns inget som säger att vilomassan skall bevaras. Vi behöver alltså "fuska" med energier av storleksordningen meV när vi har MeV tillgängligt. För att uppfylla bevarandet av energin rör sig de olika egentillstånden (som ju har lite olika massor) med lite olika hastighet.

Det finns en klassisk mekanisk analog till neutrinooscillation: två kopplade pendlar, se
Neutrino_oscillationsClassical_analogue_of_neutrino_oscillation.

Det finns andra exempel från kvantmekaniken där två tätt liggande nivåer blandas och förorsakar interferens och att systemet oscillerar mellan två mycket olika tillstånd.

I fråga [125] beskrivs en annan observation som tyder på att neutrinon har en vilomassa som är större än noll.
/Peter E 2010-11-25

Svar:
Du refererar till ämnet för pressreleasen under länk 1. Felet i den urspungliga mätningen är nu lokaliserat, se Hade Einstein fel?, så problemet med neutriner som rör sig snabbare än ljuset är löst.

En av forskningsgrupperna på CERN (OPERA-kollaborationen) har mätt löptiden hos neutriner från CERN till gruvan Gran Sasso 73 mil ner i Italien. Totalt har man detekterat c:a 16000 neutriner. Resultatet är att man får en hastighet som är lite överstigande ljushastigheten i vakuum c. Resultatet är signifikant med 6 standardavvikelser.

Löpsträckan på 73 mil (löptid 2.4 millisekunder med ljushastigheten) bestämdes med GPS med en precision på 20 cm. Tidssynkroniseringen gjordes även den med GPS och hade en precision av 1 ns. Totala osäkerheten i tidsdata uppskattades till 10 ns, och den uppmätta effekten var 60 ns. Denna diskrepans på 60 ns motsvarar t.ex. ett fel i avståndsmätningen på 6010^-9310⁸ = 18 m.

Vad gäller mätningen av löpsträckan var den största svårigheten att mäta sträckan inne i tunneln i gruvan Gran Sasso - GPSen fungerar dåligt under 1400 m berg! Man kan i mätningarna (som pågått sedan 2009) tydligt se effekter av kontinentaldriften och ett hopp i samband med en jordbävning i Italien 2009, se nedanstående figur.

Man gav ett webbseminarium från CERN fredagen den 23 aeptember 2011, länk 2. Där presenterade man resultatet och metoderna mycket bra och detaljerat.

Kommentarer:

De flesta fysiker tror nog att mätningen är felaktig, men än så länge finns ingen bra förklaring. Troligaste orsaken är att sträckan är felmätt eller att tidssynkroniseringen CERN-Gran Sassio är felaktig.

Einsteins speciella relativitetsteori förbjuder inte expicivt att partiklar rör sig med överljushastighet. Vad den förbjuder är att en partikel accelereras upp till ljushastigheten, det skulle kosta oändlig energi. Enda problemet är att partiklar som rör sig snabbare än ljuset (hypotetiska partiklar som kallas tachyoner, se Tachyon) får imaginär massa. Se även fråga [15804].

OPERA-kollaborationen har helt följt god vetenskaplig procedur:

- Analysen har gjorts "blind" så att man inte skulle kunna påverkas av det väntade resultatet.

- Arbetet presenterades utförligt på ett öppet seminarium och i ett publicerat preprint.

Det är inte första gången man försökt mäta neutriners hastighet, men man har inte fått fram definitiva värden. Den enda signifikanta observationen hittills är neutriner från supernovan SN 1987A, se fråga [125] och Supernova_1987A. Denna mätning visar att neutrinernas hastighet är mycket nära ljushastigheten. Att neutrinerna kom fram några timmar före ljuset kan förklaras att stjärnan är transparent för neutriner tidigare än den är transparent för ljus. Avståndet till SN 1987A är 168000 ljusår. Med den uppmätta tidsdifferensen skulle neutrinerna ha kommit fram

(6010^-9/2.410^-3)168000 = 4.2 år före ljuset.

Neutrinerna skulle alltså kommit fram flera år innan supernovan upptäcktes, inte några timmar. Tyvärr var neutrinodetektorerna inte igång då (Kamiokande II började ta data 1985, se (Kamioka_Observatory).

_____________________________________________________________________

Fotnot: Nedanstående meddelande distribuerades i samband med pressreleasen. Det får anses helt unikt att en officiell deklaration från CERN går ut tillsammans med en pressrelease.

Dear Colleagues,

As usual, I am sending you this CERN press release before we issue it
to the media. Unusually this time, however, I feel that it needs a few
words of introduction. The OPERA collaboration has measured the time
of flight of neutrinos sent from CERN to Gran Sasso, along with the
distance they cover. These measurements appear to show that the
neutrinos are travelling faster than light. When a collaboration makes
a surprising observation such as this and is unable to account for it,
the ethics of Science demand that the results be made available to a
wider community, to seek scrutiny and to encourage independent
experiments. That's why when the spokesperson of the OPERA
collaboration asked me whether they could hold a seminar here, I said yes. Given the potential impact of such a measurement, I felt it important for CERN formally to make its position clear. That's the reason for the cautiously worded statement we're sending to the media today.

Best regards,

Rolf Heuer

Se även Hade Einstein fel? där det längst ner finns en uppdatering av statusen för experimentet.

/Peter E 2011-09-23

Svar:
Nedanstående bild visar alla elementarpartiklar enligt standardmodellen. Partiklarna är vertikalt ordnade efter vilomassa.

För att en partikel skall sönderfalla måste ett antal villkor (baserade på bevaringslagar) uppfyllas:

1 Sluttillståndet måste innehålla minst två partiklar

2 Partiklarna i sluttillståndet måste ha en sammanlagd vilomassa som är mindre än den sönderfallande partikelns massa (bevarande av energin)

3 Totala laddningen måste bevaras

4 Antalet fermioner (partiklar med halvtaligt spinn) kan bara ändras med ett jämnt antal (bevarande av rörelsemängdsmoment)

5 Antalet kvarkar bevaras (bevarande av baryontal)

De partiklar som uppfyller dessa villkor är

1 masslösa kraftförmedlarpartiklar: foton och gluon

2 elektron

3 proton

4 neutrino

Listan kräver några kommentarer:

Protonen är ingen elementarpartikel eftersom den består av tre kvarkar. Kvarkar kan emellertid inte förekomma isolerade, varför protonen kan betraktas som elementarpartikel. Protonens stabilitet implicerar då att den lättaste kvarkarna (upp och ner) är stabila i protonkonfigurationen (upp, upp, ner). Neutronen (upp, ner, ner) är emellertid inte stabil om den är isolerad. Den b-sönderfaller till en proton, se fråga [17998]. Tillsammans med rätt antal protoner kan neutronen emellertid vara stabil i en atomkärna.

Lägg även märke till att de två lättaste kvarkarna har mycket mindre massa än protoner och neutroner med massan c:a 1 GeV. Nukleonerna består alltså av mycket mer än tre kvarkar, den största delen av massan kommer från gluoner (QuarkMass).

Neutrinon är alltså i princip stabil, men den oscillerar mellan olika aromer (elektron, myon, tau), se Neutrino_oscillation.

Se även Particle_decay

Bilden nedan är från
http://profmattstrassler.files.wordpress.com/2011/08/sm_masses2.png

/Peter E 2013-10-10

Svar:
Neutronens sönderfall:

n --> p + e- + v_anti (1)

Ja, reaktionen är reversibel, men man måste skriva om sönderfallet eftersom de tre partiklarna i högerledet knappast kan vara på samma ställe samtidigt:

p + e- --> n + v (2)

(Observera att neutrinen byter skepnad när vi flyttar den till andra sidan: -v_anti = v). Reaktionen förekommer i atomkärnor och när neutronstjärnor bildas.

Den bevarade storheten är leptontalet L.

I (1) har vi L=0 --> L=1-1=0.
I (2) har vi L=1 --> L=1.

Vi kan skriva om reaktion (2) till

v + n --> p + e- (2a)

Denna reaktion används i neutrino-detektorer, se Sudbury_Neutrino_ObservatoryCharged_current_interaction.

Neutriner och anti-neutriner kan alltså både skapas och förstöras, men då alltid tillsammans med sin laddade partner antielektronen/elektronen. Ett överskott av neutriner/antineutriner borde alltså reflekteras av ett underskott av antielektroner (positroner) eller elektroner. Ett sådant laddningsöverskott har inte observerats.
/Peter E 2015-10-13

Svar:
Ja, geoneutriner är neutriner som bildas vid betasönderfall av radioaktiva ämnen (främst isotoper av uran, thorium och kalium) i jordens inre.

Det är dåligt känt hur stor effekt utvecklas genom radioaktivt sönderfall inne i jorden eftersom det är svårt att bestämma förekomsten av olika grundämnen. Man vet ganska väl vilken effekt som transporteras bort genom jordytan, men en del av denna effekt kan vara en långsam avsvalning av jordens inre. Att detektera geoneutriner skulle vara av mycket stort intresse eftersom det skulle ge information hur mycket sönderfall som förekommer.

Tekniken att detektera geoneutriner håller på att utvecklas, se en fyllig artikel i Wikipedia, Geoneutrino.

Se vidare fråga [13938] och länk 1.
/Peter E 2016-09-19