English
Swedish

Kungl. Vetenskapsakademien har beslutat att utdela 1995 års Nobelpris i fysik för banbrytande experimentella insatser inom leptonfysiken med ena hälften till

Martin L. Perl, Stanford University, Stanford, Kalifornien, USA för upptäckten av tauonen

och med andra hälften till

Frederick Reines, University of California, Irvine, Kalifornien, USA för påvisandet av neutrinon.

Upptäckterna av två av naturens småpartiklar belönas

Människan söker sin plats i naturen. Hon strävar efter att finna svar på såväl filosofiska som fysikaliska frågor. Människans hem, Universum, skapades i en stor smäll – Big Bang. “Vad består detta Universum av?” – “Vilka är dess minsta beståndsdelar och vad har de för egenskaper?” – “Vad kan de berätta om Universums historia och framtid?”. Årets pristagare har i detta sökande givit bestående bidrag. De har upptäckt två av naturens märkligaste småpartiklar.

Martin L. Perl och hans medarbetare upptäckte genom en serie experiment 1974-1977 att elektronen har en ca 3 500 gånger tyngre “släkting” kallad tauonen. Frederick Reines gjorde pionjärinsatser under 1950-talet tillsammans med framlidne Clyde L. Cowan, Jr., vilka ledde till att de experimentellt lyckades påvisa elektronens anti-neutrino.

Martin L. Perls upptäckt av tauonen innebar det första tecknet på att en tredje “familj” av fundamentala byggstenar existerade. Några år senare upptäcktes ytterligare en byggsten – den ena av familjens två kvarkar, bottenkvarken, och först 18 år senare upptäcktes dess andra kvark, toppkvarken. Existensen av den tredje familjen har stor betydelse för fysikernas tilltro till dagens teoretiska modell, den s.k. standardmodellen, som anger egenskaperna hos naturens minsta beståndsdelar. Utan den tredje familjen skulle modellen ha varit ofullständig och inte kunnat tillåta det s. k. CP-brottet (Charge and Parity), ett brott mot en fundamental symmetriprincip som bl.a. reglerar partiklars sönderfall (Nobelpris till Cronin och Fitch 1980). Om en fjärde familj av kvarkar och leptoner upptäcks kan detta innebära att standardmodellen måste revideras och ett större rekonstruktionsarbete påbörjas inom elementarpartikelfysiken.

När Frederick Reines och Clyde L. Cowan för första gången observerade neutriner var det en pionjärinsats som öppnade vägen in på de “omöjliga” neutrino-experimentens område. I våra dagar försöker man fånga in neutriner som finns i den kosmiska strålningen och som kan ha sitt ursprung i solen eller i uppflammande supernovor (exploderande stjärnor). Genom neutrinernas obenägenhet att reagera med atomkärnor, och därmed låta sig fångas in, måste man vid dessa experiment ha mycket stora detektorvolymer. Medan Reines och Cowan på 1950-talet klarade sig med ca en halv kubikmeter vatten i sin detektor använder stora experiment på 1990-talet flera tusen kubikmeter. Vissa experiment använder sig t.o.m. av omkringliggande hav eller is som detektorvolym!

Naturens byggstenar och deras familjestruktur
De minsta strukturer i naturen, som hittills kunnat studeras, är tolv materiepartiklar – även kallade byggstenar – sex kvarkar och sex leptoner. Dessa partiklar har var sin antipartikel, en sorts “spegelbild” av partikeln. (Namnet på en partikel omfattar också dess antipartikel.) Utöver dessa kvarkar och leptoner finns det andra småpartiklar som kallas kraftpartiklar, eftersom de ansvarar för tre av våra kända krafter, nämligen stark, elektromagnetisk och svag kraft. Tyngdkraften faller utanför deras verkningskrets. Den väsentligaste skillnaden mellan kvarkar och leptoner är att leptonerna inte känner av den starka kraften.

En märklig egenskap hos materiepartiklarna är att de uppvisar “familjetillhörighet”. De förekommer i tre familjer. Varje familj består av två kvarkar och två leptoner (Fig. 1). I mångt och mycket beter sig de tre familjerna som kopior av varandra. “Finns det någon fundamental princip som berättigar existensen av just tre familjer?” är en av fysikens olösta frågor.

Den första familjens kvarkmedlemmar har fått namnen uppkvark och nedkvark. Dess leptonmedlemmar är elektronen och elektron-neutrinon. De två kvarkarna bygger upp protoner och neutroner, som i sin tur bildar atomkärnor och därmed mer än 99% av all materia på jorden. Den lilla resten utgörs av elektroner. Elektron-neutrinon kan mycket grovt föreställas vara en elektron som har berövats sin laddning och massa. Huruvida en obetydlig mängd massa ändå återstår är även det en av fysikens obesvarade frågor. Det var denna elektron-neutrino, som Reines och hans kollega Cowan, då anställda vid Los Alamos Scientific Laboratory, lyckades fånga.

Upptäckten av tauonen
Under 1960-talet genomförde flera olika forskargrupper experiment, som alla bl.a. syftade till att finna nya laddade partiklar, däribland nya leptoner. Ett tillvägagångssätt var att söka de nya partiklarna i sönderfallsprodukter av de partiklar man då hade till hands, t.ex. kaoner. Ett annat sätt var att försöka producera dem vid en accelerator, t.ex. i kollisioner mellan högenergetiska elektroner och något strålmål. Martin Perl ingick i en grupp, som utförde ett sådant experiment vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) 1966, men man fann inga nya laddade leptoner. 1973 togs en ny maskin i drift vid SLAC – en elektron-positron-kolliderare kallad SPEAR. En sådan kolliderare är en leptonletares drömmaskin, ty mekanismen för en eventuell produktion av nya laddade leptoner (X⁺, X^–) är enkel och lätt att tolka:

elektron + positron => X⁺ + X^–

Kollideraren SPEAR erbjöd Perl en utomordentlig möjlighet att fortsätta sin tidigare jakt på nya leptoner, denna gång i ett nytt och tidigare otillgängligt energiområde, ca 5 GeV (5 miljarder elektronvolt). Redan efter ett år kom en första vink om att något spännande var på gång – något som kunde vara tecken på produktion av en ny typ av lepton. Året därpå publicerade Perl och medarbetare de första resultaten. Men det tog ytterligare ett par år innan de kunde vara säkra på att de faktiskt hade upptäckt en ny lepton. Den nya leptonen betecknades med den grekiska bokstaven tau, som står för den första bokstaven i ordet triton (som betyder tredje). I Sverige döptes den till tauon.

Fig. 1. Standardmodellens elementarpartiklar – ett nytt periodiskt system. Figuren är en klassisk bild av Triton, blåsande i en snäcka.

Perl och hans medarbetares experiment
Experimentet gick ut på att registrera frontalkollisioner mellan elektroner och deras antipartiklar positroner. En stor cylinderformad detektor placerad i ett magnetfält omgav kollisionsområdet. Detektorn bestod av flera komponenter, däribland ett antal trådgnistkammare samt skur-räknare tillverkade av blyscintillatorer och ett par proportionalkammare. Första tecknen på att man kunde ha med ett nytt fenomen att göra var att forskargruppen observerade 24 händelser av typen

elektron + positron => elektron + antimyon + o.p.

eller

elektron + positron => positron + myon + o.p.

där o.p. står för osynliga partiklar, sådana som ej lämnade spår i detektorn. Man detekterade alltså endast en elektron (eller positron) och en antimyon (eller myon) med motsatta tecken på sina laddningar. Genom att tillämpa energilagen fick Perl och hans medarbetare veta att det hade producerats minst två stycken osynliga partiklar.

En möjlig tolkning av dessa händelser var att det först hade producerats ett par av tunga leptoner, senare kallade tauoner,

elektron + positron => tauon + antitauon.

Men dessa förväntades sönderfalla mycket snabbt och de observerade elektronerna och myonerna tolkades således som sönderfallsprodukter från reaktioner

tauon => elektron (eller myon) + neutriner

antitauon => antimyon (eller positron) + neutriner.

De osynliga partiklarna var neutrinerna, som med sin notoriska okänslighet för omgivningen försvann utan att lämna något synligt spår efter sig (Fig. 2). Emellertid gjorde de sig påminda när energibalansen skulle redovisas. De hade tagit med sig en ansenlig andel av energin (jfr nedan).

Perls och hans medarbetares hypotes prövades genom en serie nya observationer som tog flera år. Så småningom visade det sig att tauonen bestått proven och därmed uppfyllde alla de krav som man kunde ställa på en tyngre släkting till elektronen och myonen. Liksom dessa har tauonen också en alldeles egen neutrino – tauon-neutrinon.

Energilagen ledde till neutrinons entré på scenen
Hypotesen om neutrinons existens är ca 40 år äldre. Neutrinon “föddes” som en hypotetisk partikel i ett brev skrivet 1930 av Wolfang Pauli (Nobelpris 1945). På den tiden var det känt att många atomkärnor slutade sina liv genom att sända ut en elektron. Denna process, som kallas betasönderfall, gav forskarna mycket huvudbry, bl.a. tycktes en av fysikens heliga lagar – energilagen – inte gälla. För att återställa ordningen i fysikens lagbok kom Pauli med vad han kallade en “desperat lösning” – kärnan utsände inte elektronen ensam. Den ledsagades av en annan småpartikel, som saknade elektrisk laddning och reagerade mycket litet med sin omgivning. Den lilla partikeln, som så småningom fick heta neutrino, tog en del av energin med sig och försvann spårlöst i tomma intet. Energibalansen blev som förväntat, bara man tog hänsyn till den andel som neutrinon hade tagit med sig.

Pauli tyckte att han hade gjort något “förskräckligt” (som han kallade det) genom att föreslå en partikel som aldrig kunde bli upptäckt. Det tog tre decennier samt Reines och Cowans uppfinningsrikedom för att bringa neutrinon i dagen.

Upptäckten av neutrinon
Paulis neutrinohypotes var visserligen “förskräcklig”, men den var också ytterst tilltalande. Den räddade energilagen och samtidigt löstes flera andra gåtor. Neutrinohypotesen användes av Enrico Fermi (Nobelpris 1938) på ett mästerligt sätt för att formulera en teori för en av naturkrafterna, den svaga kraften. Denna ypperliga teori gav stor trovärdighet till hypotesen att neutrinon skapas tillsammans med elektronen var gång en kärna sönderfaller (genom betasönderfall). Men hur skulle man kunna ge ett slutgiltigt bevis på att neutrinon existerade? Forskarna Hans Bethe (Nobelpris 1967) och Rudolf Peierls hade uppskattat sannolikheten för att stoppa neutriner producerade i betasönderfall från radioaktiva preparat och funnit att den var så minimal, att det skulle behövas ett flera ljusår tjockt strålmål av bly för att effektivt fånga dessa neutriner. När de första kärnreaktorerna konstruerades under 1940-talet insåg bl.a. Fermi, att reaktorerna skulle kunna tjänstgöra som intensiva neutrinokällor. Man uppskattade att reaktorerna skulle kunna ge ett flöde av neutriner på ca 10¹² – 10¹³ per sekund och cm². Detta var många storleksordningar mer än vad man fick från radioaktiva källor.

År 1953 föreslog Reines och Cowan ett reaktorexperiment för att fånga neutriner. Reaktionen som skulle studeras var

antineutrino + proton => neutron + positron.

Trots den höga intensiteten av neutriner som reaktorn levererade, förväntades en så ringa räknehastighet för denna reaktion att försöket tycktes gränsa till det omöjliga. Reines och Cowan insåg vikten av att detektera såväl neutronen som positronen för att minska riskerna för feltolkning. Efter ett första försök vid reaktorn Hanford skred Reines och Cowan till verket vid Savannah River Plant.

Strålmålet i Reines-Cowan-experimentet bestod av ca 400 liter vatten innehållande kadmiumklorid placerat mellan stora vätskescintillationsdetektorer. Händelseförloppet för den sökta reaktionen är följande (jfr formeln ovan): Neutrinon krockar med en proton i vattnet och skapar en positron och en neutron. Positronen bromsas ner av vattnet och förintas tillsammans med någon elektron (materia och antimateria möts) varvid två fotoner (ljuspartiklar) uppstår. Dessa registreras samtidigt i de två detektorerna (Fig. 3). Även neutronen tappar fart i vattnet och fångas så småningom in av en kadmiumkärna, varvid ett antal fotoner utsänds. Dessa fotoner når detektorerna någon mikrosekund senare än fotonerna från positronens förintelse och ger besked om att neutrinoinfångningen har ägt rum.

Fig. 3. Schematisk bild av Reines och Cowans neutrinodetektor (se förklaringar i texten).

Man brottades med såväl låg räknehastighet som med hög bakgrund. I experimentet registrerades ungefär ett par händelser per timme. Inte desto mindre lyckades Reines och Cowan med denna bedrift som ansågs gränsa till det omöjliga. De lyckades lyfta neutrinon från dess status som fantasifigur till en tillvaro som existerande fri partikel.

Martin L. Perl
född 1927 i New York, NY, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1955 vid Columbia University. Perl är bl.a. ledamot av National Academy of Sciences, USA.

Frederick Reines
född 1918 i Paterson, New Jersey, USA. Amerikansk medborgare. Doktorsgrad i fysik 1944 vid New York University. Reines är bl.a. ledamot av National Academy of Sciences, USA, och utländsk ledamot av Ryska Vetenskapsakademien.

Martin L. Perl, Professor
Stanford Linear Accelerator Center
Stanford University
Stanford, CA 94305
USA

Frederick Reines, Professor
Department of Physics
University of California at Irvine
Irvine, CA 92717
USA