Spökpartiklarna som kan avslöja universums största mysterium

Föreställ dig följande.

Djupt ner under markytan i södra Kina ligger en detektor stor som en byggnad. Inuti den finns 20 000 ton specialvätska som lyser upp när vissa partiklar passerar genom den. Den är så känslig att den kan fånga signaler från partiklar som i stort sett struntar i allt annat i universum.

Vi pratar om neutriner – och de är utan tvekan bland det konstigaste inom hela fysiken.

Vad är en neutrino egentligen?

Låt mig förklara. En neutrino är en fundamental partikel, alltså en av de minsta byggstenarna som allt annat är uppbyggt av. Men till skillnad från protoner, neutroner och elektroner har neutriner några riktigt märkliga egenskaper.

För det första: de har ingen elektrisk laddning alls. För det andra: de är extremt lätta – vi förstår fortfarande inte riktigt hur lätta, eftersom deras massa kanske kommer från en mekanism vi inte har upptäckt än. Och här kommer det verkligt konstiga: de interagerar så gott som aldrig med någonting.

Tänk på det så här – just nu, i denna sekund, strömmar biljontals neutriner från solen genom din kropp. Genom väggarna. Genom hela jordklotet. Utan att kollidera med en enda atom.

Det är som att försöka fånga spöken med ett sommarfälla.

Jakten är i gång

Här kommer JUNO in i bilden. Jiangmen Underground Neutrino Observatory har nyligen publicerat sina första stora resultat, och de är ärligt talat ganska anmärkningsvärda.

Med bara 59 dagars data lyckades det internationella teamet bakom JUNO mäta två grundläggande neutrinopperties med aldrig tidigare skådad precision. Hur exakt? De minskade mätosäkerheterna med en faktor på 1,6 jämfört med vad decennier av tidigare experiment lyckats åstadkomma.

Tänk dig att gå från att gissa någons ålder inom tio år till att gissa inom sex år – förutom att "någon" i det här fallet är en subatomär partikel som knappt existerar.

Varför spelar massordningen någon roll?

Här blir det riktigt intressant. Ett av JUNO:s huvudmål är att lista ut något som kallas "neutrinomassordningen".

Just nu vet forskarna att det finns tre olika typer (tekniskt sett: "smaker") av neutriner. Det de inte vet är vilken som är tyngst och vilken som är lättast. Det är som att veta att man har tre mysterielådor utan att kunna öppna dem.

Varför spelar det roll? Jo, att förstå neutrinomassor kan hjälpa oss besvara några av universums största frågor – bokstavligt talat. Det hänger samman med varför materia segrade över antimateria i universums tidiga historia, vilket är en del av varför vi överhuvudtaget finns till.

Folk på Nature var också ganska entusiastiska. I sin bevakning beskrev de resultatet som inledningen på "en ny era av precisa neutrinooksillationsmätningar."

Nobelpristagaren Arthur McDonald, som fick priset för att upptäcka solneutrino-ocksillation, hade detta att säga: "JUNO har uppfyllt sina designmål och uppnått exceptionell radiopuritet, energiopplösning och detektorsstabilitet."

Inte illa av någon som kan en del om neutrinoffysik.

Hur ser det ut?

Jag vill att du föreställer dig JUNO:s detektor i ditt sinne. I centrum finns en jättestor akrylssfär – ungefär 35 meter i diameter – fylld med den specialvätska jag nämnde. Denna sfär sitter i en vattenbassäng som är 44 meter djup. Alltihop är inneslutet i en massiv konstruktion av rostfritt stål.

Å, och jag nämnde väl inte att den ligger 700 meter under jord? Det finns en anledning till det. Berget ovanpå skyddar detektorn från andra partiklar som skulle kunna störa mätningarna. Vi jagar trots allt universums blygaste partiklar.

Ssfären är täckt av över 45 000 fotomultiplikatorrör – anordningar som fångar små ljusblixtar och omvandlar dem till elektriska signaler. När en neutrino ibland bestämmer sig för att interagera med vätskan, skapar den en pytteliten ljusgnista. Dessa rör fångar gnistan, och forskarna kan analysera den.

Det är som att bygga en enorm kamera för att fotografera något som inte vill bli fotograferat.

Varför ska du bry dig?

Jag vet vad du tänker: "Coole vetenskap, men varför ska jag bry mig om en partikel jag aldrig hört talas om?"

Saken är den: neutriner finns överallt. De skapas i kärnreaktioner (som i vår sol), i supernovor, i jordens inre, och till och med i våra egna kroppar från kaliumet vi äter. De bär på information om några av universums mest våldsamma och mystiska händelser.

Att förstå neutriner hjälper oss förstå de grundläggande reglerna som styr allt. Och ärligt? Det finns något vackert med att människor bygger en enorm detektor djupt under jorden bara för att få glimtar av dessa spökpartiklar.

Det är nyfikenhet när den är som bäst.

Vad händer härnäst?

JUNO har nu fungerat smidigt i ungefär nio månader, och forskarna räknar med att släppa fler resultat från och med i sommar. Under de kommande åren förväntas experimentet samla tillräckligt med data för att äntligen bestämma neutrinomassordningen.

Om det händer blir det en av de största upptäckterna inom partikelfysik på årtionden.

Så håll ögonen på JUNO. Dessa tysta partiklar som gömmer sig i mörkret kanske har en hel del att berätta för oss.