NOVEMBER 2016

NEUTRINO'S


Onderzoekers controleren vanuit een bootje de lichtsensoren van de Super-kamiokande-detector in Japan. Die sensoren detecteren blauwe lichtflitsen die ontstaan wanneer een neutrino reageert met een van de atoomkernen in het water.


 

Een introductie tot de meest ongrijpbare deeltjes van het universum

Op dit moment vliegen ze met duizenden miljarden door uw hoofd. Ze zijn overal, maar je voelt ze niet, want ze trekken zich nauwelijks iets aan van materie. Neutrino's zijn merkwaardige deeltjes die ons een speciale blik op het universum gunnen. 

In 1930 postuleerde Wolfgang Pauli op louter theoretische gronden het bestaan van een nieuw elementair deeltje. Dat deed hij om het behoud van energie tijdens radioactief verval te verzekeren. Dat zulk deeltje niet zomaar een fictief hersenspinsel van een theoretisch fysicus was, bleek in de jaren vijftig. Toen werd het deeltje, dat intussen de naam 'neutrino' had gekregen, voor het eerst geobserveerd. Het experiment vond plaats in een kerncentrale, waar veel neutrino's ontstaan tijdens radioactieve processen. 

 
Ook de zon is een soort van kernreactor. Neutrino's komen er tijdens fusiereacties overvloedig vrij als bijproduct van licht en warmte. De meeste neutrino's die nu door uw lichaam vliegen zijn dan ook afkomstig van onze zon. Dat wil trouwens niet zeggen dat u 's nachts gespaard blijft van door-u-heen-razende neutrino's: deze spookdeeltjes kunnen zomaar door de aarde heen bewegen. 

  De meeste neutrino's die nu door uw lichaam vliegen zijn dan ook afkomstig van onze zon
Bovendien vinden sommige neutrino's hun oorsprong in verdere oorden van het universum, zoals in supernova's of supermassieve zwarte gaten. Ze hebben al die lichtjaren afgelegd in een rechte lijn, want de kans dat ze gehinderd worden op hun weg is extreem klein.

   
Dat opent perspectieven voor de astronomie. Door neutrino's te observeren kunnen we explosies in verafgelegen sterrenstelsels zien of kunnen we ongegeneerd de binnenkant van de zon bekijken. De keerzijde van de medaille: doordat neutrino's ongehinderd overal door bewegen, is het een hele opgave om ze te vangen. Om ze te kunnen observeren, moeten we goed begrijpen hoe ze interageren met de andere elementaire deeltjes.
   

DE OERELEMENTEN

Uit welke elementen is onze wereld opgebouwd? Het is een vraag die we ons al sinds de Oudheid stellen en waarop het antwoord steeds werd bijgesteld. Uit vuur, water, lucht en aarde, dachten de Oud-Griekse natuurfilosofen. Uit atomen: ondeelbare en onveranderlijke deeltjes, speculeerde Democritus. Begin negentiende eeuw publiceerde John Dalton zijn atoomtheorie. Atomen werden daarin niet als ondeelbaar beschouwd, al had Dalton geen idee waaruit atomen dan wel zouden bestaan. Pas later, dankzij experimenten met kathodestraalbuizen, kwam men tot de bevinding dat een negatief geladen elektron rond een positief geladen atoomkern beweegt. Die atoomkern is op zijn beurt opgebouwd uit protonen en neutronen. En zelfs protonen en neutronen bleken geen elementaire deeltjes te zijn, toen men ontdekte dat ze ieder bestaan uit drie quarks. 

   
De theorie die vandaag beschrijft uit welke oerelementen de werkelijkheid is opgebouwd, heet 'het standaardmodel van de deeltjesfysica'. De hoofdrolspelers in dat model: materiedeeltjes en krachtvoerende deeltjes. We weten nu dat alle mogelijke krachten in het universum te herleiden zijn tot vier fundamentele natuurkrachten: de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Om die krachten over te brengen van het ene materiedeeltje naar het andere, bestaan de krachtvoerende deeltjes. Zo zorgt het foton voor de elektromagnetische interactie tussen alle elektrisch geladen materiedeeltjes. Dankzij de uitwisseling van fotonen blijft een negatief geladen elektron bijvoorbeeld rond een positief geladen atoomkern cirkelen. Op neutrino's, de ongeladen broertjes van elektronen, heeft dat foton echter geen enkele invloed. Neutrino's (letterlijk: 'klein neutraaltje') bezitten geen elektrische lading, waardoor elektromagnetische krachten hen volledig koud laten.

   
Ook voor de sterke kernkracht zijn neutrino's ongevoelig. Dat hebben ze gemeen met elektronen. Neutrino's en elektronen zijn leptonen. En de sterke kernkracht heeft geen invloed op leptonen, enkel op quarks. Ze werkt als een soort sterke superlijm die ervoor zorgt dat quarks steeds in groepjes van drie samengehouden worden. Quarks en leptonen vormen samen de materiedeeltjes. Voor zover we weten, zijn dit de elementaire oerdeeltjes waaruit alle materie in onze wereld is opgebouwd.

   
Kortom: neutrino's zijn fundamentele bouwstenen van de materie, maar – in tegenstelling tot de andere bouwstenen – reageren ze nogal lauwtjes op de fundamentele natuurkrachten. Door elektromagnetische krachten en sterke kernkrachten laten ze zich al nooit beroeren. Blijft over: de zwakke kernkracht. Die kracht heeft wél invloed op neutrino's, maar is enkel werkzaam tussen deeltjes die zich al heel dicht bij elkaar bevinden. En dan nog – zoals haar naam doet vermoeden – is ze extreem zwak. 

  Neutrino's zijn fundamentele bouwstenen van de materie, maar ze reageren nogal lauwtjes op de fundamentele natuurkrachten
En de zwaartekracht dan? Omwille van de minieme massa van neutrino's speelt die geen enkele rol. Volgens het standaardmodel moeten neutrino's zelfs massaloos zijn, maar daar komen we nog op terug. In elk geval is de zwaartekracht op subatomaire schaal te verwaarlozen – ze is zelfs nog een triljard keer zwakker dan de zwakke kernkracht. 

   
De interactie van een neutrino met een ander materiedeeltje is dan ook een echte zeldzaamheid. Als volleerde spookdeeltjes laten ze zich bijna nooit aanschouwen.
   

ONDERGRONDS GEFLITST

Hoe kunnen we ze dan in Geus' naam waarnemen? Door ze te flitsen! Niet met flitspalen, maar met gigantische detectoren. Als de kans minuscuul klein is dat een neutrino botst met een materiedeeltje, dan zorg je maar voor gigantische hoeveelheden materiaal. Van de miljarden neutrino's die daar door bewegen, moet er ooit wel eens eentje botsen. Zo werd in de SuperKamiokande-detector in Japan maar liefst 50.000 liter extreem zuiver water gebruikt. In het IceCube-experiment op de Zuidpool, waar de Universiteit Gent aan meewerkt, werd dan weer een kubieke kilometer Antarctisch ijs ingeschakeld. Op die manier zullen dagelijks wel een aantal neutrino's tegen een van de vele atoomkernen botsen. Na de interactie ontstaat een elektron dat zo’n hoge energie heeft dat het sneller beweegt dan de snelheid van het licht in ijs of water. Een blauwe lichtflits verschijnt. Dit noemt men het Tsjerenkov-effect. Je kan het beschouwen als het optische equivalent van de knal die ontstaat wanneer een vliegtuig de geluidsmuur doorboort. In het doorzichtige Antarctisch ijs of in het heldere water is de blauwe Tsjerenkov-straling gemakkelijk te detecteren. Et voilà, het neutrino is geflitst en waargenomen.

  Als de kans minuscuul klein is dat een neutrino botst met een materiedeeltje, dan zorg je maar voor gigantische hoeveelheden materiaal
Er bestaan nog andere neutrinodetectoren, waarvan sommige gebruik maken van andere materialen en andere detectiemethoden. Alle zijn ze diep onder de grond geplaatst. Op die manier zijn we zeker dat de gedetecteerde signalen niet het gevolg zijn van interacties met andere deeltjes. Het zijn immers enkel de neutrino's die zich ongehinderd door de aarde heen naar de detector kunnen bewegen.
   

GEDAANTEVERANDERINGEN

Neutrino's komen voor in drie gedaanten. Of zoals natuurkundigen het noemen: in drie smaken. Tijdens kernreacties in de zon komen elektron-neutrino's vrij. De andere twee neutrinosmaken, mu-neutrino's en tau-neutrino's, kunnen onmogelijk in de zon ontstaan. 

   
Uit theoretische modellen voor de energieproductie van de zon kon men voorspellen hoeveel van die elektron-neutrino's men in neutrinodetectoren zou observeren. Het bleken er veel minder dan verwacht. Was het theoretisch model fout, liep er iets mis met de experimentele waarnemingen van de elektron-neutrino's, of was er iets vreemds aan de hand? Dit stond lang bekend als het zonne-neutrinoprobleem. 

   
De verdwijntruc werd opgehelderd toen men bij de geobserveerde interacties ook die van de andere twee neutrinosmaken optelde. Conclusie: neutrino's veranderen van gedaante. Ze vertrekken in de zon als elektron-neutrino's en op hun weg naar de aarde kunnen ze transformeren in mu-neutrino's en tau-neutrino's.

   
Uit de wiskundige theorie van deze neutrino-oscillaties volgt bovendien dat iedere neutrinosmaak een verschillende massa moet hebben. De veronderstelling van het standaardmodel dat neutrino's massaloze deeltjes zijn, bleek dus niet langer houdbaar. Voor deze ontdekking werden Takaaki Kajita en Arthur McDonald, van respectievelijk de Super-Kamiokande detector in Japan en het Sudbury Neutrino Observatory in Canada, vorig jaar beloond met Nobelprijs voor de Fysica.

   

DONKERE MATERIE

In het meinummer van De Geus legde Gustaaf Cornelis al uit dat alle zichtbare materie in ons universum niet volstaat om een aantal kosmologische fenomenen te verklaren. Er moet dus ook materie bestaan die we niet kunnen zien: meer dan tachtig procent van de massa in het universum bestaat uit 'donkere materie'. Die materie moet ongevoelig zijn voor elektromagnetische krachten, want we kunnen ze niet waarnemen langs optische weg. Via de sterke kernkracht al evenmin. Donkere materie is dus enkel waar te nemen via de zwakke kernkracht en de zwaartekracht – net zoals bij neutrino's. Al decennia wordt nagedacht over de vraag uit welke deeltjes die donkere materie bestaat. Toen bleek dat neutrino's massa hebben, werden ze als een mogelijke kandidaat beschouwd. Het probleem is dat hun massa nog altijd zodanig miniem is dat je er belachelijk veel van nodig hebt.

  Meer dan tachtig procent van de massa in het universum bestaat uit 'donkere materie'
De voorbije jaren werd in de deeltjesfysicawereld gespeculeerd over het bestaan van een nieuw soort deeltje als verklaring voor de donkere materie. Het zou gaan om een vierde soort neutrino met een veel grotere massa: het steriele neutrino. Steriel, want dit neutrino is zelfs ongevoelig voor de zwakke kernkracht. We zouden het dus enkel kunnen observeren als het eerst transformeert in een van de andere drie neutrinosoorten. Die zoektocht is voorlopig zonder resultaat gebleven. In augustus liet het IceCube-experiment nog weten geen enkel spoor gevonden te hebben van het steriele neutrino. Momenteel wordt in het federaal onderzoekscentrum in Mol een nieuw soort neutrinodetecor geïnstalleerd. Het ding weegt twee ton en maakt gebruik van een revolutionaire technologie om naar neutrino's te speuren. Een ontdekking van het steriele neutrino zou een wetenschappelijke doorbraak van formaat betekenen. En anders mogen theoretische fysici verder nieuwe deeltjes postuleren om het raadsel van de donkere materie op te helderen.

   
Pieter Van Nuffel
   

   
Over de auteur:
Pieter Van Nuffel is fysicus, verbonden aan de KU Leuven.

   
     
Wil je de papieren versie van De Geus thuis ontvangen? klik hier voor meer informatie.