TROR DU PÅ SPØKELSER? Hold opp hånden din. Ifølge moderne fysikk flyr det milliarder av bittesmå spøkelser gjennom den hvert eneste sekund.

«Spøkelsesfysikk», bedre kjent som nøytrinofysikk, er kanskje den mest høyteknologiske og science fiction-aktige forskningen som foregår i dag.

Det har å gjøre med solen og atmosfæren vår, med eksploderende stjerner, og med selve universets fødsel.

Verktøyene strekker seg fra enorme vanntanker i dype gruver, til isen på Sydpolen, til stråler av partikler tvers gjennom jorden.

HOLD OPP HÅNDEN DIN IGJEN. Du kjenner kanskje litt vind på den hvis du er ute, eller varmen fra en lampe hvis du er inne.

Grunnen til at du ikke føler noen av de minst seks tusen milliarder nøytrinoene som flyr forbi per sekund, er at disse bittesmå partiklene ikke merker naturkraften elektromagnetisme. Elektromagnetisme er det samme som varme og lys, og det som får atomene i hånden din til å henge sammen.

Nøytrinoene merker heller ikke den sterke kjernekraften, som er det som limer sammen atomkjernene i hånden din. Nøytrinoene føler bare de to gjenværende kreftene — tyngdekraft, og den såkalte svake kjernekraften.

Begge disse er så svake at nøytrinoene kan fly rett gjennom deg — og for den del rett gjennom hele jorden — uten å kræsje med noe.

DET ER DENNE EVNEN til å fly gjennom ting som gjør at de kalles spøkelser. Men hvordan i alle dager kan vi vite at de faktisk er der? Og hvis de er der: hva de er for noe, og hva kan vi bruke dem til?

Vi og alt rundt oss er satt sammen av bittesmå partikler som ikke kan deles opp. Disse såkalte elementærpartiklene har vi forsket på de siste hundre årene, ved hjelp av små og relativt enkle apparater som glassrør uten luft i på 1890-tallet, til den nye og enorme akseleratoren LHC ved CERN i Sveits i 2010.

Den fysiske beskrivelsen vi har av disse små byggesteinene er den mest nøyaktige vi har klart å lage innen vitenskap.

NØYTRINOER ER ET FELLESNAVN på tre av de om lag 20 elementærpartiklene vi vet om.

På jorden er de for eksempel en del av naturlig radioaktivitet. I kroppen din har du en viss mengde radioaktivt karbon — når et atom av såkalt karbon-14 blir til nitrogen-14, er det som egentlig skjer at atomkjernen sender ut et elektron (partikkelen som «strømmer» i en strømledning) og et anti-elektron-nøytrino (en liten bit antimaterie). Elektronet havner et sted i kroppen din eller i luften rundt deg, mens nøytrinoet stikker av gårde og vil aldri bli sett på jorden igjen.

Det var på denne måten nøytrinoene først ble oppdaget. Elektroner fra samme type radioaktivt stoff burde alle fløyet av gårde med samme fart — men det gjør de ikke, de har alle mulige hastigheter mellom null og en klar toppverdi. Fysikere kjenner med en gang igjen denne typen oppførsel — det betyr at en tredje, usynlig partikkel stikker av med noe av den radioaktive energien. Problemet var bare at man ikke klarte å oppdage denne tredje partikkelen i eksperimenter. Det tok derfor 26 år, fra fysikeren Wolfgang Pauli foreslo dem i 1930, til 1956, da fysikere flest godtok disse spøkelsene.

Men å godta er ikke det samme som å fullt ut forstå, og mye ved nøytrinoene er fortsatt mystisk i dag.

OPPDAGELSEN I 1956 var bare begynnelsen. For hvor kommer de fra, disse milliardene av nøytrinoer per sekund gjennom hånden din?

Bare noen veldig få kommer fra radioaktivitet på jorden. De aller fleste kommer fra solen, der atomer av grunnstoffet hydrogen hele tiden smelter sammen til helium, og skaffer oss den energien vi lever av på jorden. I denne prosessen lages det også nøytrinoer, og disse stråler ut fra solen sammen med varme og treffer jorden sammen med sollyset.

Hvis vi kunne studere nøytrinoene fra solen, så ville dette fortelle oss helt nye detaljer om hvordan stjernen vår virker under overflaten.

Når store stjerner dør, i såkalte supernova-eksplosjoner, lages det også enorme mengder nøytrinoer. Faktisk regner vi med at nøytrinobølger fra supernovaer har vært med på å lage mange av de tunge grunnstoffene vi ser rundt oss, for eksempel metaller som gull og sølv. Kan vi se disse nøytrino-tsunamiene når de skyller inn over jorden? Det vil i så fall fortelle oss om slutten på stjerners liv, noe vi vet har vært en viktig drivkraft for utviklingen av galakser og dannelsen av unge stjerner og planeter som våre.

Her er nøytrinoenes spøkelsesegenskaper akkurat det vi trenger — det gjør at de kan reise på tvers av hele galaksen og frem til oss uten å bli stoppet av støvet og gassene som ligger mellom stjernene.

UNIVERSETS FØDSEL Big Bang, skapte stråling av alle typer, også nøytrinoer.

Med teleskop og satellitter kan vi studere lyset som er igjen etter Big Bang, den såkalte kosmiske bakgrunnsstrålingen, noe som har revolusjonert kosmologien de siste tjue årene og som vi fortsatt forventer mye spennende fra.

Disse eksperimentene kan allikevel bare se tilbake til noen hundre tusen år etter Big Bang. Dersom vi kunne målt den kosmiske nøytrinobakgrunnen, så ville vi kunnet «se» tilbake til bare et par sekunder etter universets fødsel, og høyst sannsynligvis utløst nye revolusjoner i forståelsen vår av hvordan universet begynte.

EN SPØKELSESFILM blir sjelden god hvis man ikke av og til får se spøkelset på skjermen.

Det samme gjelder historien om nøytrinoer — hadde vi aldri sett dem så ville de stort sett vært en kuriositet. Men vi kan se dem, om enn med vanskelighet.

Nøytrinoene overser elektromagnetismen og den sterke kjernekraften — men de merker den svake kjernekraften, og dette kan vi utnytte.

Den typiske teknikken de siste tretti årene har vært å lage store tanker med veldig rent vann, og sette dem dypt nede i forlatte gruver. Der er de godt skjermet fra de fleste typer stråling vi har på overflaten, som stanses av jord, fjell og vann.

Nøytrinoene, derimot, kan gjerne fly tvers igjennom hele planeten — og det dessuten veldig mange av dem. De aller, aller fleste vil fly tvers gjennom vanntanken, men en sjelden gang vil et nøytrino allikevel treffe et atom og forårsake omtrent det omvendte av naturlig radioaktivitet. Dette skaper små glimt av lys, som vi kan se med ultrafølsomme kameraer langs veggene i vanntanken.

I 1987 VAR ET SLIKT EKSPERIMENT, kalt SNO, aktivt i Homestake-gruven i Sør-Dakota, man jobbet med å studere nøytrinoer fra solen.

Den 23. februar 1987 nådde lyset fra en enorm supernovaeksplosjon jorden, og i vannet til SNO ble det plutselig registrert flere nøytrinotreff enn vanlig — et klart tegn på en nøytrinotsunami fra en døende stjerne, og en flott bekreftelse på at det vi trodde om supernovaer stemte.

Detaljene i målingene fra SNO og andre eksperimenter fortalte oss dessuten nye ting og lot oss forbedre supernova-modellene våre.

MANGE VARIASJONER over denne typen eksperiment finnes og er aktive i dag, noen av dem tett opp mot grensen til science fiction.

Det kanskje mest ekstreme, kalt IceCUBE, befinner seg på Sydpolen — eller snarere i isen under Sydpolen. For hvorfor bruke en tank med vann når isbreen lengst syd på planeten tilbyr store områder med helt klar og ren sammentrykket is?

I IceCUBE borer man tynne hull nedover i isen og senker ned tråder med følsomme kameraer som skal se etter lysglimtene fra nøytrinoreaksjoner i isen.

I andre eksperimenter er ikke lenger fornøyd med å studere sammensetningen av nøytrinoer fra atmosfæren og verdensrommet. Det er lettere å forske på nøytrinoer når du også kan kontrollere hvor mange som blir laget og i hvilken retning de flyr. Slik kontroll kan vi for eksempel få fra kjernefysiske reaktorer rundt omkring på jorden, enten forskningsreaktorer eller vanlige kjernekraftverk. Når disse er aktive produserer nemlig kjernereaksjonene også store mengder nøytrinoer.  Alternativt kan vi bruke partikkelakseleratorer av samme type som LHC ved CERN, og lage en stråle av nøytrinoer der vi også kjenner retningen.

Mye av det vi fortsatt lurer på om nøytrinoer handler om hvordan de oppfører seg over tid og når de går igjennom tett stoff som stein. Derfor sender man gjerne disse nøytrinostrålene nedover og gjennom jorden. Et eksempel er en stråle som i dag går fra CERN i Sveits, under Alpene, og til Gran Sasso i nord-Italia.

Andre stråler går eller planlegges å gå på tvers av Japan, eller på tvers av det sentrale USA fra Chicago til Homestake i Sør-Dakota.

VI VET I DAG både at nøytrinoene finnes, og at det finnes tre ulike typer av dem. Navnene er elektronnøytrino, myonnøytrino og taunøytrino. Lenge var det et spørsmål om hvor vidt nøytrinoene hadde noen masse, det vil si om de veier noe. Svaret på dette er ja, men det fant vi ikke ut før i 1998. Og det ble ikke gjort ved å fange et nøytrino og så veie det — til det er de alt, alt for lette. Derimot hadde man regnet ut at nøytrinoer, som er bittesmå og dermed følger reglene til  den ofte forunderlige kvantemekanikken, kan finne på å forvandles fra en type til en annen. Et elektronnøytrino kan dermed for eksempel bli til et myonnøytrino — men bare hvis begge har en masse.

Nettopp slike forvandlinger ble målt av det japanske gruve-eksperimentet Super-Kameiokande i 1998.

Flere eksperimenter klarte dessuten etter hvert å måle at det kom myon- og taunøytrinoer fra solen, som egentlig hovedsakelig sender ut elektronnøytrinoer. Modellen vår for solen, sammen med antakelsen om at noen av nøytrinoene skifter type på vei til jorden, passer utmerket med det vi har målt.

Igjen har vi lært noe om solen ved å studere spøkelser i dype gruver på jorden.

I DAG TVILER INGEN lenger på at nøytrinoer eksisterer, men mange av egenskapene deres er fortsatt ukjente og mystiske. For å virkelig kunne bruke dem som budbringere om fysikk andre steder i universet, og fra dets første leveår, må vi først forstå dem grundig.

For eksempel har alle partikler sin bestemte antipartikkel, men noen spesielle — som fotonet, eller lys — er sin egen antimaterie. Hittil vet vi ikke om antinøytrinoer og nøytrinoer faktisk er samme partikkel.

Et helt nytt og spennende resultat, publisert i 2010, er at noen nøytrinoer oppfører seg forskjellig når de møter materie og antimaterie. Dette er uventet uansett hvilken natur nøytrinoene har. Vi vet heller ikke hvor tunge de faktisk er, bare hvor tunge de er i forhold til hverandre. Å bestemme den nøyaktige massen til nøytrinoene har mye å si for forskningen på mørk materie i universet. Nøytrinoene utgjør en del av den mørke materien, men hvor stor del kan vi ikke si enda.

Viktigst av alt er allikevel at nøytrinoene hittil har vært fulle av overraskelser. Den anerkjente nøytrinofysikeren John Bahcall har skrevet: «Å studere nøytrinoer fra solen har lært oss en viktig ting: Hvis du kan måle noe med god nøyaktighet, så har du sjansen til å oppdage noe viktig. Astronomiens historie viser oss derimot at mest sannsynlig er ikke det du oppdager det du faktisk så etter. Det hjelper å ha flaks.»

Med alle de nøytrinoeksperimentene som er aktive i dag, og som er planlagt for fremtiden, skal det godt gjøres om dette ikke gjentar seg. Fysikkens minste og vanskeligste små spøkelser har mye igjen å hviske oss, og de kan godt vise seg å bli nøkkelen til å forstå mange av mysteriene som er igjen i moderne fysikk.

Denne artikkelen er skrevet for Magasinets nettredaksjon, og ikke publisert i papirutgaven. Har du spørsmål eller kommentarer, send dem til oss på e-post.