Opdagelse af Universets grundlæggende kræfter - Vakuumteknologi i udforskningen af Universet

Opdagelse af Universets grundlæggende kræfter - Vakuumteknologi i udforskningen af Universet

2.100 meter under Jordens overflade, søger fysikere fra SNOLAB efter Universets bittesmå og flygtige byggeblokke: neutrinoer.
WoV-Snolab.jpg

Neutrinoer er elektrisk neutrale elementarpartikler, som stormer gennem rummet med noget der minder om lysets hastighed. Eftersom de ikke har nogen elektrisk ladning, interagerer de næsten ikke med stof og kan derfor passerer gennem det stort set uhindret. Det gør det muligt for dem at tilbagelægge store afstande og rejse til Jorden fra de allerfjerneste galakser. På grund af deres flygtige natur er de dog særligt svære at forske i.

Opdagelse af lysglimt

For at fange disse bittesmå elementarpartikler er forskerne flyttet ned under jorden. SNOLAB fysiklaboratoriet ligger i en nikkelmine i den canadiske by Sudbury (Ontario). Her har videnskabsmændene adgang til et renrumsområde på 5.000 kvadratmeter, samtidig med at et klippelag med en tykkelse på 2.100 meter beskytter laboratoriet mod kosmisk stråling - kun neutrinoer kan trænge gennem dette skjold. Midt i dette anlæg står neutrinodetektoren, som består af en sfærisk akryltank med en diameter på 12 meter. 

Til de eksperimenter som aktuelt udføres under navnet SNO+, er denne tank fyldt med 800 tons af en specialvæske, der består af kulbrinten lineær alkylbenzen (LAB). Denne væske afgiver UV-stråler, når den agiteres af ioniserende stråling. UV-lyset stimulerer igen et farvestof opløst i væsken, som bliver selvlysende blåt. Når eventuelle neutrinoer, som passerer gennem væsken, kommer tæt nok på atomkernerne til at udløse en interaktion, vil de derfor skabe små lysglimt. Disse registreres af yderst følsomme sensorer, der omgiver tanken.

For at sikre at de subatomare partikler registreres korrekt, skal alle uønskede stoffer fjernes fra væsken (LAB). Dette gøres med vakuumteknologi. Ved hjælp af vakuumpumper dannes der et undertryk på 20 millibar i rensesystemet. Ved en temperatur på 238 grader fjernes selv de mindste spor af tungmetaller fra væsken i en flertrins-destillationsproces. Vanddamp og kvælstof føres derefter gennem væsken i en såkaldt stripperkolonne - igen under vakuum. Dette udstøder gasserne radon, krypton, argon og ilt og regulerer indholdet af flydende vand. Kondensatorer placeret ved vakuumpumpernes luftudtag sikrer pålidelig genindvinding af dampe. Her afkøles udstødningsgasserne fra renseprocessen, de gøres flydende og fyldes i opsamlingsbeholdere.

Nobelpris for neutrino-forskning

I de nye SNO+ eksperimenter erstatter LAB det tunge vand, som tanken var fyldt med under det oprindelige SNO-projekt. For disse første undersøgelser, blev den ansvarlige for SNO-eksperimentet, Arthur McDonald, tildelt Nobelprisen i fysik i 2015. Fra 1999 til 2006 brugte han dette tunge vand til at forske i neutrinoer produceret i Solen gennem kernefusion. Resultaterne matchede dog ikke forudsigelser i fysikkens standardmodel, som tidligere havde antaget, at neutrinoer var masseløse. 

De opdagede afvigelser blev i stedet forklaret med den alternative teori neutrino-svingning: De tre forskellige typer neutrinoer (elektron, muon og tau neutrinoer) var i stand til at omdanne sig til hinanden. Dette er dog kun muligt, hvis de har en masse, uanset hvor lille den måtte være. 

Sammenlignet med det oprindelige eksperiment med tungt vand afgiver neutrinoers interaktion med LAB en betydelig mængde lys. Hovedformålet med de nye undersøgelser er at forske i den omstridte proces neutrino-løst dobbelt betahenfald, mens den flydende LAB også kan bruges til at undersøge proton-elektron-proton (PEP) sol-neutrinoer. Andre mål omfatter påvisning af geo-neutrinoer fra radioaktive henfaldsprocesser i Jorden samt af reaktor-neutrinoer fra nukleare fissionsreaktioner. Det ville også være muligt at detektere supernova-neutrinoer, hvis der skulle opstå en supernova i vores galakse. Med deres neutrinomålinger håber forskerne på at få yderligere indsigt i de grundlæggende kræfter i universet.

Snolab har siden 2012 anvendt vakuumteknologi fra Busch.


Tilmeld dig nyhedsbrevet "World of Vacuum"!
Tilmeld dig nu og hold dig selv opdateret med de seneste fascinerende nyheder fra vakuumverdenen.

TILMELD