Nobelprisen i fysik och kemi gick till partikel- och ozonforskning

av Ragnhild Artimo Forum 1995-14, sida 24-25, 02.11.1995

Taggar: Teman: nobelpriser

fysi och kemi gick till PARTIKEL- OCH OZONFORSKNING

Ragnhild Artim Årets Nobelpris i fysik belönar banbrytande experimentella insatser inom leptonfysiken, och kemiprisen arbeten inom atmosfärkemin. Gemensamt för dem (och “Nobeltroget”) är aft experimenten och upptäckterna gjordes för ett par decennier sedan.

“En av dessa minsta”

Frederick Rei trinon.

s, University of California, hälften av fysikpriset för påvisandet av neu Lepioner Kvarkar Familj 1 2 elektron 7, elektronneutrino u Up 4 Down Familj 2 H myon AY myonneutrino c Charm s Strange Familj 3 T tavon 7, tauonneutrino t Top 5 Bottom

Standardmodellens elemenatarpartiklar — ett nytt periodiskt system.

e två forskare som delar på fysikpriset har upptäckt två av d byggstenar som bekräftar den s.k. standardmodellen för materiens uppbyggnad. Enligt denna är de minsta strukturerna i naturen tolv materiepartiklar eller byggstenar: sex kvarkar och sex leptoner (se schemat ovan). Dessa partiklar har var sin antipartikel som är ett slags spegelbild av partikeln.

Leptonerna skiljer sig från kvarkarna genom att de är okänsliga för den s.k. starka kraften som håller samman atomkärnorna.

Av all materia på jorden består hela 99 procent av kvarkarna från Familj I, Up och Down. som bildar protoner och neutroner, vilka i sin tur bildar atomkärnor. Resten av jordens massa består av elektroner — den ena av leptonerna i Familj 1. Dess antipartikel (elektron)neutrinon saknar laddning och massa. men är bärare av energi från vissa kärnreaktioner. Det är för påvisandet av denna partikels existens som Frede 2 rick Reines får halva fysikpriset i december.

Då Nobelpristagaren av år 1945 Wolfgang Pauli redan 1930 (i ett brev) förutspådde existensen av neutrinon kallade han den hypotetiska partikeln “en kuslig sak” genom att den enligt hans kalkyler kunde fortplanta sig genom miljardkilometertjocka blylager utan attträffa en enda atom. Men dess attraktion. om den detekterades, skulle ligga i att den skulle förklara den mikroskopiska energiobalansen i vissa kärnreaktioner.

Ett kvartssekel senare lyckades Frederick Reines och framlidne Clyde L. Cowan vid Los Alamos påvisa existensen av Paulis mytiska partikel. I stället för att försöka upptäcka en neutrino i taget. använde Reines och Cowan en reaktor som emitterade triljoner neutriner isekunden. Med ett så stort utbud räknade de med att över en tillräckligt lång tidsperiod — som i praktiken blev flera år — lyckas mäta åtminstone några neutrinospår i sin detektor, en “tank” med 400 liter vatte innehållande kadmiumklorid. placerat mellan vätskescintillationsdetektorer. Reaktionen som avslöjade den publicitetsskygga partikeln var följande: neutrinon krockar med en proton i vattnet och skapar en positron och en neutron. Positronen bromsas upp av vattnet och “förintas” tillsammans med någon elektron (materia möter anti Martin L. Perl, Stanford University, hälften av fysikpriset för upptäckten av tavonen.

materia), varvid två fotoner eller ljuspartiklar uppstår. De registreras samtidigt av de två detektorerna. Också neutrinon förlorar hastighet i vattnet. och fångas småningom in i en kadmiumkärna, varvid ett antal fotoner emitteras som når detektorerna någon mikrosekund senare än fotonerna från positronens förintelse — och dokumenterar att en neutrinoinfångning har ägt rum. Tala om indiciebevisföring! I experimentet registrerades ett par händelser per timme, men Reines och Cowan lyckades trots praktiska problem (som bl.a. låg räknehastighet) dokumentera existensen av den partikel Pauli förutspått. Cowan skulle rätteligen ha fått sin bit av Nobelpriset, men det utdelas inte postumt.

Idag jagar man neutriner med “fällor” på flera tusen kubikmeter; och utnyttjar också omkringliggande hav eller is som detektorvolym.

ig av ett niskt ”myon-spår från i vid SPEAR. De a -Jeptonerna ller inom: någr millimeter: från koll isi Forum nr 14/95

Tauonen vars existens påvisades 1976 är Familj 3:s motsvarighet till elektronen. men 3 500 gånger tyngre (myonen är 200 gånger tyngre än elektronen). Tauonen var den första partikeln i Familj 3 som påträffades.

Under 60-talet arbetade flera forskarteam med att finna nya laddade partiklar — bl.a. nyaleptoner. En metod var att försöka producera dem med accelerator i kollisioner mellan högenergetiska elektroner och ett strålmål. Martin Perl ingick i ett team som jobbade med sådana experiment vid Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) 1966 — men man fann inga nya laddade leptoner. År 1973 fick SLAC en ny elektron-positron-kolliderare, SPEAR, i bruk, som gav nya möjligheter genom enklare tolkningsmekanism och ett helt nytt energiområde, ca 5 GeV (5 miljarder elektronvolt). Ett år senare registrerades de första signalerna på en ny lepton, men det tog ytterligare ett par år innan Perl och hans medarbetare kunde vara säkra på att de upptäckt en ny lepton. Denna betecknades med den grekiska bokstven tau, den första bokstaven i triton=tredje; på svenska fick leptonen namnet tauon.

Perl “tillverkade” de första tauonerna genom att frontalkrocka elektroner och positroner. Dessa registrerades med en cylinderformad detektor placerad i ett magnetfält som omgav kollisionsområdet. Detektorn bestod av olika komponenter. bl.a. trådgnistkammare och skurräknare.

Perl och hans team registrerade först 24 “händelser” där frontalkrockarna mellan elektroner och positroner (antielektroner) resulterade i bildandet av vad som kunde tolkas som ett par av tunga leptoner — senare kallade tauoner. Men de nya partiklarna sönderföll mycket snabbt, och kvar fanns bara elektroner och myoner. Först efter flera år av kalkyler kunde Perl bekräfta att det verkligen var tauoner han producerat.

Upptäckten av tauonen var vital för standardmodellen: dittills hade den tredje familjen bara varit en teoretisk nödvändighet. Två partiklar tilli Familj 3 upptäcktes under 70-talet, Top-kvarken våren 1994 (se Forum nr 7/1994). &

Forum nr 14/95

Vår hud mot rymde obelprisbelöna forskning leder säl lan till internationella avtal. men årets kemipris går till tre forskare vilkas rön ledde till Montreal-protokollet 1987, som begränsar användningen av CFC-gaserna (chlorofluorocarbons) eller freonerna. som använts bl.a. i kosmetiska sprayförpackningar, spraymålfärg. kylskåp och skumplast. De tre forskarna har kartlagt hur ozon (Oz) bildas och nedbryts i atmosfären. och påvisat hur sårbart ozonskiktet är för utsläpp av föroreningar. Om ozonet i atmosfären skulle sammanpressas till ett tryck molsvarande trycket vid jordytan, skulle skiktet, vår hud mot UV-strålningen, bli bara 3 mm tjockt.

Holländaren Paul Crutzens forskningsrön blev första steget till insikten om ett av de allvarligaste miljöhoten idag: ett förtunnat ozonskikt eller vår “förtunnade hud mot rym …och Mario Molina; Department, of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences. och Department” of Chemistry, MIT…

den”. Ozonskikten är en förutsättning för liv på jorden genom alt det absorberar merparten av den skadliga UVstrålningen från solljuset.

Crutzen. verksam vid Max Planck-institutet, påvisade år 1970 att ozon bryts ner av kväveoxider som bildas i atmosfären genom sönderdelning av dikväveoxid (N>O), som härrör sig från mikrobiologiska processer i marken.

Nästa betydande steg i kunskapen om ozonkemin togs 1974 då de amerikanska forskarna Mario Molina och F. Sherwood Rowland i en artikel i Nature hävdade att de som drivgas och kylmedium använda freonerna utgjorde ett hot mot ozonskiktet genom att kloret i gaserna bryter ner ozonet på samma sätt som kväveoxiderna,

Molina och Rowland hävdade att de i sig kemiskt stabila CFC-gaserna transporteras upp till ozonskiktet och där utsätts för så intensiv UV Temperaturens och ozonhaltens variation upp genom atmosfären.

Höjd

Höjd

Temperatu > Ozonhal och EF. Sherwood Rowland, Department of Chemistry, University of California, Eh viktigt röngär att visa” hur känsligt ozonskiktet är för utsläpp.

strålning att de sönderdelas i sina beståndsdelar av vilka en är klor, som effektivt spjälker ozonmolekyler.

Molinas och Rowlands rön och slutsatser hälsades inte med hurrarop från industrin, som hade förlitat sig på CFCgaser i många tekniska användningar. Genom sin kemiska stabilitet och giftfrihet hade de betraktats som miljöidealiska. År 1978, fyra år efter Nature-artikeln, förbjöds CFC i sprayflaskor i USA.

Och då ozonhålet över Antarktis upptäcktes 1985, pressades industrin att vidta steg att trappa ner CFC-användningen. CFC ersätts stegvis i alla applikationer av andra ofarligare ämnen.Den senaste skärpningen av Montrealprotokollet från 1987 går ut på totalförbud mot de farligaste ozonnedbrytande gaserna från 1996 — men u-länderna har några år till på sig att införa ozonvänliga ersättande ämnen. Framställandet av CFC är totalförbjudet från år 2006.

Genom att det tar en viss tid för de ozonnedbrytande gaserna att transporteras upp till ozonskiktet, kan man räkna med att ozonuttunningen — inte bara över Antarktis, utan också över delar av norra halvklotet — kommer att förvärras under ytterligare ett antal år. Om de utfärdade förbuden gällande CFC efterlevs, torde ozonskiktet långsamt börja rehalbiliteras efter millenieskiftet. Forskarna räknar med alt det tar minst 100 år innan det är helt återställl. 25