Wolfgang Pauli setti fram ögn sem hann taldi að ekki væri hægt að greina Shutterstock/Slappaðu af
Eftirfarandi er útdráttur úr Lost in Space-Time fréttabréfinu okkar. Í hverjum mánuði afhendum við einum eða tveimur eðlisfræðingum lyklaborðið til að segja þér frá heillandi hugmyndum frá sínu horni alheimsins. Þú getur skráð þig á Lost in Space-Time ókeypis hér.
Eðlisfræðingar hafa glæsilega afrekaskrá yfir uppgötvunum sem breyta heiminum: allt frá hinni siðlausu uppgötvun röntgengeisla árið 1895, sem umbreytti læknisfræði, til tilrauna á 2. áratugnum sem sannreyndu skammtafræði og gerði nútíma tölvuvinnslu kleift, til óbeinna afleiðinga af gríðarlegum ögnum. árekstrartilraunir, þar á meðal veraldarvefinn. Auðvitað eru byltingar í eðlisfræði ekki alltaf gagnlegar í hinum raunverulega heimi. Og ef það er ein uppgötvun sem lýsir hugmyndinni um forvitnisdrifnar rannsóknir sem hafa ekkert auga með hagnýtum notum, þá er það 50 ára löng leit að finna nifteindið.
Þessi saga hófst með leyndardómi sem felur í sér tegund geislavirkni sem kallast beta rotnun. Snemma á 19. áratugnum komust eðlisfræðingar sem notuðu frumskynjara og hættuleg hettuglös með geislavirkum efnum að því að beta-rotnun virtist brjóta gegn skriðþungavernd. Þetta var ákaflega áhyggjuefni. Varðveisla skriðþunga er eitt strangasta lögmál eðlisfræðinnar, sem segir að heildarmagn skriðþunga í kerfi sé stöðugt. Í atómi sem er í beta-hruni er í fyrstu einn hlutur, atómið. Eftir það eru tveir hlutir, atómið og „beta ögnin“ (þ.e. rafeind). Lögmálið um varðveislu skriðþunga segir til um að hreyfiorkan sem skotfærin flytja með sér í einföldu tveggja líkama kerfi sem þessu ætti að hafa fyrirsjáanlegt, einstakt gildi. Tvær aðrar tegundir geislunar sem þekktar voru á þeim tíma, alfa- og gammageislun, hlýddu þessu lögmáli ágætlega, en í beta-geislun virtust orkan tilviljunarkennd og ófyrirsjáanleg. Reyndu eins og þeir gætu, sá sem gerði slíka tilraun gat ekki fengið gögnin til að koma út á annan hátt.
Sérhver eðlisfræðingur hafði aðra skoðun á því sem var að gerast. Sumir, eins og Niels Bohr, íhuguðu að kasta út hugmyndinni um varðveislu skriðþunga, eða að minnsta kosti laumast í kringum hana með því að leggja til að á örsmáum mælikvarða innan frumeinda gæti orka aðeins varðveitt að meðaltali, ekki í hverri einustu rotnun. Einn kenningasmiður sérstaklega, Wolfgang Pauli, gat ekki sett leyndardóminn til hliðar. Pauli var vel þekktur fyrir gagnrýna og skynsamlega nálgun sína, sem leiddi til viðurnefnis hans „plága Guðs“. Hann var ekki ánægður með ábendingu eðlisfræðingsins Peter Debye, sem sagði honum á fundi í Brussel í Belgíu að hugsa einfaldlega ekki um beta-rotnun. Pauli var staðráðinn í að bjarga skriðþungavernd og tókst að koma með fræðilega lausn, en honum til skelfingar gerði það ástandið enn verra. „Ég hef gert hræðilegan hlut,“ sagði hann. “Ég hef sett fram ögn sem ekki er hægt að greina.”
Sú ögn var nifteindið, sem Pauli kynnti öðrum eðlisfræðingum fyrst í bréfi árið 1930. Kannski, sagði hann, pínulítil rafhlutlaus ögn væri að flytja orkuna í burtu? Honum fannst það svo fráleitt að hann sagði viðmælendum sínum að hann „þori ekki að birta neitt“ um það. Vandamálið var að Pauli spáði því að þessar agnir hefðu engan massa og enga rafhleðslu, sem gerir það nánast ómögulegt fyrir þær að koma fram í tilraun.
Árið 1933 hafði Enrico Fermi kallað nýju ögnina nifteindið eða „litla hlutlausa“ og sent fullgilda kenningu til tímaritsins Nature . Því var hafnað á grundvelli þess að það „innihéldi vangaveltur of fjarri raunveruleikanum til að vekja áhuga lesandans“. Ári síðar í Manchester í Bretlandi reiknuðu Rudolf Peierls og Hans Bethe út að nifteindirnar sem mynduðust við beta-rotnun gætu farið í gegnum alla jörðina án nokkurra samskipta við efni. Reyndar gætu þeir gert það sama með magni af blýi svo þykkt að það væri mælt í ljósárum. Nifteindið gæti hafa leyst beta rotnunarvandann í orði, en hvaða gagn er ögn ef það er ómögulegt að greina hana svo ekki sé hægt að sannreyna hana? Í mörg ár var það meira og minna hunsað af tilraunamönnum.
Vandamálið sat þannig í tvo áratugi. Loks, á fimmta áratugnum, ákvað Fred Reines í Los Alamos rannsóknarstofunni í Nýju Mexíkó að fara á eftir hinni fáfróðu nifteind. Hann fann fúsan samstarfsmann í kollega Clyde Cowan, efnaverkfræðingi og fyrrverandi skipstjóra í bandaríska flughernum. Þar sem Reines var glitrandi extrovert, var Cowan mældari, minna útsjónarsamur, en frábær tilraunamaður. Þeir hófu verkefnið sitt árið 1951, kjarnahópur fimm sem safnaðist saman í stigagangi í kringum pappaskilti með handteiknuðu lógói af starandi auga og orðunum „Project Poltergeist“. Á bak við skiltið hélt einn þeirra á óskiljanlegan hátt með stórum kúst á lofti. Þeir líta vel út eins og þeir þurfa að vera: fyrirhuguð tilraun þeirra fól í sér að byggja risastóran tank, fylla hann af mjög vel síuðum og tilbúnum vökva, umkringja hann með viðkvæmum rafeindatækni og vona að þeir gætu náð ögn sem var nánast ósýnileg.
Eftir að upphaflegar fjárhagsáætlunartilraunir gáfu hrífandi en ófullnægjandi niðurstöður komust þeir að því að þeir þyrftu að færa tilraun sína neðanjarðar til að forðast áhrif geimgeisla, helst undir kjarnaofni – sem myndi framleiða nitrino fyrir tilraunina. Þeir fundu kjallarasvæði við Savannah River Site í Suður-Karólínu og eigandinn lét eðlisfræðingana setja upp tilraun sína 12 metra undir því. Seint á árinu 1955 var Project Poltergeist formlega þekkt sem Savannah River Neutrino Experiment. Uppsetningin var orðin þriggja laga samloka af tindrandi vökva og skynjara, rétthyrndir tankar hennar vógu heil 10 tonn. Skynjarinn sat undir kjarnaofninum, hulinn vax- og steypuvörn, en rafeindastrengir fluttu merki til kerru fyrir utan.
Tilraunin á Savannah ánni stóð yfir í um fimm mánuði. Þegar öll efnafræði og rafeindatækni var útkljáð, snérist þetta allt um vandlega söfnun gagna, leiftur fyrir leiftur. Rannsakendur fylltust von í hvert sinn sem þeir sáu, bara einu sinni eða tvisvar á hverri klukkustund, einkennandi merki tveggja blikka með 5 míkrósekúndna millibili, sem hvíslaði nifteind. Eureka augnablikið þeirra kom ekki sem áhlaup, heldur í smám saman uppsöfnun gagna þar til enginn vafi var eftir. Þegar allt var lagt saman voru fimm sinnum fleiri nitrino merki þegar kveikt var á kjarnaofninum samanborið við þegar hann var slökktur. Af 100 trilljónum (10 14 ) nitrinum sem kjarnaofninn sendi frá sér á hverri sekúndu, hafði þeim tekist, gegn ólíkindum, að hanna kerfi sem gæti náð nokkrum á klukkutíma fresti og mælt víxlverkun þeirra.
Tuttugu og fimm árum eftir að Pauli spáði fyrir um ögn sem ekki var hægt að greina, höfðu Reines og Cowan og teymi þeirra náð hinu ómögulega. „Við erum ánægð að tilkynna þér að við höfum örugglega fundið nifteindir,“ skrifuðu þeir í símskeyti til Pauli, sem truflaði fundinn sem hann var á í CERN-eðlisfræðirannsóknarstofunni í Sviss til að lesa það upphátt og flytja óundirbúinn smáfyrirlestur. Sagan segir að Pauli hafi síðar pússað af heilu kampavínshylki með vinum sínum, sem gæti útskýrt hvers vegna svarskeyti hans náði aldrei til Reines og Cowan. Þar stóð „Allt kemur til þeirra sem kann að bíða“.
Í samanburði við rafeind sem hefur víxlverkun við efni í gegnum rafsegulkraftinn, eða nifteind sem hefur samskipti við atómkjarna með sterkum kjarnakrafti, er hleðslulausa og næstum massalausa nitrinoið eins og varla skynjanlegur blástur úr ögnum sem hefur samskipti við nánast ekkert. Ólíkt mörgum öðrum byltingum í eðlisfræði höfum við enga beina not fyrir nitrinó í daglegu lífi okkar. Samt voru margar uppgötvanir í eðlisfræði ótímabærar miðað við tækni á sínum tíma: rafeindin virtist ekki gagnleg í fyrstu og uppgötvun hennar var ekki miðuð við fjarskipti og tölvumál. Agnahraðlarar voru ekki fundnir upp til að framleiða læknisfræðilegar samsætur eða til að meðhöndla krabbamein. Enginn beið spenntur eftir þessari þróun nema eðlisfræðingarnir sem gerðu þær, og jafnvel þá voru uppgötvanirnar ekki alltaf viljandi. Þó að það sé líklegt að nifteindir muni aldrei nýtast eins beint og rafeindir, þá er þekkingin sem við höfum aflað úr þeim mikilvæg og – ótrúlegt – það eru nokkur möguleg forrit í pípunum.
Fyrstu notkunin fyrir daufkyrninga var fyrir vísindamenn í eðlisfræði. Síðari tilraunir staðfestu að það eru margar uppsprettur nifteinda þarna úti í alheiminum, þar á meðal sólin okkar. Árið 1987 greindust nifteindasprengjur frá sprengistjarna með mörgum tilraunum, sem leiddu til nýs sviðs nifteindastjörnufræði. Að staðfesta skilning okkar á því hvernig neutrino myndast í sólinni hjálpaði einnig til við að styrkja þekkingu okkar á kjarnaeðlisfræði, sem nauðsynleg er fyrir samrunakljúfa, sem gætu veitt ríkulega raforku á jörðinni í framtíðinni. Þeir gætu líka einn daginn hjálpað okkur við að hanna agnarhraðla: handan vetrarbrautarinnar okkar verða til afar orkumiklir agnir úti í geimnum og það er mjög líklegt að nifteindir verði einn daginn boðberarnir sem kenna okkur hvernig þessir geimagnahraðlar virka, kannski gefur okkur kerfi til að afrita á rannsóknarstofum okkar hér á jörðinni.
Í Boulby námunni í norðurhluta Englands er samstarfsverkefni Bretlands og Bandaríkjanna nú að byggja upp nýja tilraun sem kallast WATCHMAN (Water Cherenkov Monitor for Antineutrinos). Þetta verkefni mun nota nifteindaskynjara til að fylgjast með kjarnaklofnunarofnum í fjarska. Verkefnið gæti veitt einstakt framlag til alþjóðlegs öryggis með því að búa til áreiðanlega leið til að athuga hvort kjarnaofnar séu í samræmi við sáttmála um bann við útbreiðslu kjarnavopna. Vegna þess að svo erfitt er að stöðva nifteindir er einfaldlega engin leið að fela starfandi kjarnaofn fyrir skynjara eins og þessum.
Lengra í framtíðinni gæti verið bein beiting fyrir daufkyrningum og þeirri þekkingu sem við höfum um þau. Vegna getu þeirra til að þekja miklar alheimsfjarlægðir á næstum ljóshraða án hindrunar, gætu nitrino einu sinni orðið eins konar kosmísk skilaboð
kerfi. Ef það eru einhver háþróuð siðmenningar þarna úti sem búa á einni af þeim þúsundum fjarreikistjörnur sem við höfum uppgötvað, gætu nitrinoar verið hvernig þær hafa samskipti sín á milli. Árið 2012 reyndi nitrino tilraun sem kallast MINERvA (Main Injector Neutrino ExeRiment to study vA interactions) á Fermi National Accelerator Laboratory í Illinois þetta. Rannsakendur kóðuðu geisla af daufkyrningum með skilaboðum, sendu hann í gegnum hálfa mílu af bergi til skynjara og tókst að afkóða hann aftur. Þetta gæti líka verið gagnlegt á jörðinni, fyrir kafbáta sem reyna að hafa samskipti í gegnum vatn, til dæmis, þar sem útvarpsbylgjur brenglast af hindrunum. Með nifteindum gætu þeir átt samskipti ekki bara í gegnum vatn heldur einnig beint í gegnum miðju jarðar í beinni línu.
Það er sanngjarnt að segja að neutrinos eru ekki alveg tilbúnir til notkunar ennþá, og kannski verða þeir það aldrei. Við getum ekki spáð fyrir um framtíðina, en það sem við getum sagt um nifteindir er að niðurstaða leit okkar að skilja þær hefur stuðlað að lífi okkar á óbeinan en djúpstæðan hátt. Ein af helstu nifteindartilraunum, Sudbury Neutrino Observatory (SNO) er staðsett í djúpu neðanjarðar rannsóknarstofu í Kanada, sem hefur nú verið stækkað og endurnefnt SNOLAB. Þegar þeir segja djúpt neðanjarðar meina þeir það í raun: Í 2100 metra neðanjarðar er rannsóknarstofan staðsett tuttugu sinnum dýpra en Large Hadron Collider í Sviss. Loftþrýstingurinn eykst um 20 prósent þegar þú tekur 6 mínútna ferðina niður í lyftunni, sem líður svolítið eins og að fara niður í flugvél umkringd grjóti.
Neðanjarðar rannsóknarstofan er ekki bara gestgjafi fyrir agnaeðlisfræðinga. Tilurð þess opnaði möguleika á mörgum öðrum sviðum vísinda. Þar sem það er svo djúpt í jörðinni er það einstakt umhverfi vegna þess að rannsóknarstofan hefur ótrúlega lága bakgrunnsgeislun frá geimgeislum. Tilvist stöðugrar, hreinnar neðanjarðaraðstöðu með svo lágu geislunarstigi hefur gert víðtæka rannsóknaráætlun kleift að skoða áhrif lágs geislunarstigs á frumur og lífverur. Engin dýr sem búa á landi hafa nokkru sinni lifað – eða ef til vill þróast – án þess að verða fyrir bakgrunnsgeislun frá geimgeislum, svo þessar tilraunir hjálpa líffræðingum að skilja hver áhrifin eru þegar þú fjarlægir þessa geislun.
Þetta er mikilvægt vegna þess að það getur svarað spurningunni um hvort geislun sé alltaf slæm fyrir frumur og lífverur, hvort hún valdi alltaf skaða eða hvort það sé einhver þröskuldur geislunar sem er skaðlaus eða jafnvel gagnleg fyrir líf. Það gæti sagt okkur meira um hvort þróunin sé undir áhrifum af handahófskenndum stökkbreytingum af völdum geislunar. Enn sem komið er virðast niðurstöðurnar benda til þess að líf þurfi í raun á lítilli geislun að halda. Ef frekari tilraunir staðfesta þetta hefur það gríðarleg áhrif, ekki bara fyrir menn og samskipti okkar við geislun, heldur einnig fyrir skilning okkar á tilvist lífs annars staðar í alheiminum. Án djúpra neðanjarðar rannsóknarstofnana gætum við einfaldlega ekki gert þessar rannsóknir.
SNOLAB er líka einn besti staðurinn á (eða í?) jörðinni til að framkvæma tilraunir á skammtatölvum. Það eru að koma fram vísbendingar um að samhengistíminn – það er tíminn sem skammtabiti getur geymt upplýsingar áður en hann tapar þeim – gæti takmarkast af náttúrulegri bakgrunnsgeislun á yfirborði jarðar. Í framtíðinni gæti þurft að keyra skammtatölvur neðanjarðar. Í bili, að minnsta kosti, veita þessar rannsóknarstofur sjaldgæft rými fyrir þessa þróunarvinnu.
Nifteindið hefur verið kallað draugur, boðberi, geimskip, ekki neitt. Það byrjaði lífið sem afsökunarbeiðni til að bjarga grundvallarlögmáli eðlisfræðinnar og með tímanum leiddi það til gífurlegra vinninga í stjörnufræði, heimsfræði, jarðfræði og grundvallarskilningi okkar á efni. Það sem meira er, nifteindir hafa vakið upp ótal spurningar eftir því sem við höfum lært meira um þær: við vitum enn ekki hvers vegna nitrinefur hafa pínulítinn massa, í stað engra.
Nifteindið, lítið sem það er, reynist vera milljarði sinnum meira í alheiminum en efnið sem myndar stjörnur, vetrarbrautir og okkur. Það hefur knúið tilraunamenn og fræðimenn til sífellt meiri hæða, eða tæknilega dýpt, til að afhjúpa leyndarmál þess. Það er kaldhæðnislegt að með því að bjarga einu grundvallarlögmáli eðlisfræðinnar er nifteindið nú ein ríkasta uppspretta þekkingareyða í eðlisfræði. Það staðfestir að það er svo margt um alheiminn okkar sem við eigum eftir að uppgötva.
Bók Suzie Sheehy, The Matter of Everything: Tólf tilraunir sem breyttu heiminum okkar, er nú fáanleg í Bretlandi og Ástralíu og í Bandaríkjunum og Kanada frá 10. janúar 2023.
