Je leest:

Neutrino’s: niet te vatten

Neutrino’s: niet te vatten

Auteur: | 26 januari 2005

Elke seconde razen ze met miljarden tegelijk door je lijf. De aarde is een dunne mist voor ze, maar met een grote bak extreem zuiver water kun je ze vangen: neutrino’s, de eenzaamste deeltjes in het heelal.

Het begin van de twintigste eeuw was een gouden tijd voor de natuurkunde, ook al lieten de toen ontwikkelde relativiteitstheorie en kwantummechanica zien dat ons universum een krankzinnige omgeving is. Einstein bewees dat een langsrazende klok langzamer lijkt te lopen en dat licht uit deeltjes moet bestaan. Kwantummechanici ontdekten dat niets absoluut zeker is, en leerden daardoor het gedrag van elementaire deeltjes verbijsterend nauwkeurig te voorspellen. In zo’n klimaat kun je vanalles verwachten – maar een nieuw deeltje verzinnen om een berekening te laten kloppen, dat was zelfs voor de natuurkunde een flinke stap. Natuurkundigen hadden er 70 jaar voor nodig om het nieuwe deeltje te leren kennen. Zelfs nu zijn er nog vragen over de ongrijpbare neutrino’s.

Massaloos, zonder elektrische lading en totaal niet geneigd met andere materie te reageren, dat klinkt niet bepaald spannend. Toch is dit precies wat Wolfgang Pauli in 1931 nodig had om zijn theorie van het radioactieve bèta-verval rond te krijgen. De Oostenrijkse natuurkundige onderzocht hoe een neutron uiteen kan vallen in een proton en elektron en kreeg daarbij barstende hoofdpijn.

Volgens de behoudswetten van energie en impuls moesten proton en elektron telkens met dezelfde snelheid uit het neutron opdoemen en langs dezelfde rechte lijn van elkaar wegschieten. Mooi niet: de producten van bèta-verval schieten onder allerlei vreemde hoeken van elkaar weg; ook lijkt er energie in het niets te verdwijnen.

Zelf worden we er hoogstens wat chagrijnig van als er energie uit huis verdwijnt, maar natuurkundigen krijgen er daadwerkelijk hartkloppingen van. Energie gaat, voor zover zij uit talloze experimenten weten, nooit verloren. De warmte die uit de woonkamer verdwijnt, stroomt alleen naar buiten: herverdeling in plaats van verdwijning. Pauli zag dan ook maar één oplossing om het energie-behoud te redden: hij moest een nieuw deeltje uitvinden. Dat deeltje, later door Enrico Fermi neutrino genoemd, zou de ontbrekende energie wegdragen. Doordat elektron en positron een trap na voelen als het neutrino vertrekt, bewegen ze niet in een rechte lijn van elkaar af, maar onder een hoek.

Bèta-verval: Een neutron verandert in een proton en zendt daarbij een negatief W-boson uit, een van de boodschapperdeeltjes van de zwakke wisselwerking. Het W-deeltje valt snel uiteen in een elektron en een anti-neutrino. Volgens het Standaard Model is het aantal ‘leptonen’ min het aantal ‘anti-leptonen’(elektronen, neutrino’s en hun zwaardere broers) voor en na een reactie constant. Het neutron is geen lepton, en het anti-neutrino heft de aanwezigheid van het elektron op zodat de balans klopt.

Om te verklaren dat niemand het derde deeltje in het bèta-verval ooit had waargenomen, zei Pauli dat het ladings- en massaloos was en bijna niet met andere materie reageerde. Later voorspelden theoretici dat er drie ‘smaken’ neutrino’s bestaan, net als het elektron twee zwaardere broers heeft. Alledrie de neutrino’s, het elektron-, mu- en tau-neutrino, zijn volgens het Standaard Model van de elementaire deeltjes massaloos, reizen met de lichtsnelheid en gaan dwars door andere materie heen. Ook door de materie van een deeltjesdetector, dus zijn ze nauwelijks waar te nemen.

Een belangrijke les: vertel een natuurkundige nooit dat iets nauwelijks is waar te nemen, want al moet de onderste steen in de deeltjesversneller, het ontbrekende deeltje moet en zal dan gevonden worden. Hoe moeilijk kan het zijn een neutrino aan te tonen? Tenslotte lopen we dankzij de zon door een complete regen van die deeltjes.

Een foton dat ontstaat aan de rand van de zonnekern probeert te ontsnappen, maar botst al snel op een atoomkern. Daardoor verandert het van richting, botst tegen een volgende atoomkern, enzovoorts. In het binnenste van de zon is de gemiddelde lengte die een foton tussen twee botsingen aflegt zo’n tien micrometer. Het duurt gemiddeld honderduizend jaar voor een foton de min of meer doorzichtige fotosfeer bereikt en de zon verlaat! Een neutrino raast met de lichtsnelheid ongehinderd door alle atoomkernen heen en verlaat de zon in twee tot drie seconden.

De enorme hoeveelheid neutrino’s die in de zonnekern ontstaat waaiert naar alle richtingen uit. Slechts zo’n miljardste deel ervan raakt onze aarde en maar een piepklein deel dáárvan raakt toevallig ons lichaam. John Bahcall van Princeton was een van de eersten die de neutrinoproductie van de zon schatte. Op basis van zijn berekening raast er per seconde ‘maar’ een biljard (1015) van die deeltjes door uw lijf! De kans dat een neutrino in uw lichaam met een ander deeltje botst is zó klein, dat het in uw hele leven maar een keer of drie zal plaatsvinden.

Een heel leven wachten om een paar deeltjes waar te nemen klinkt misschien ontmoedigend, maar Bahcall en zijn vriend Ray Davis waren niet onder de indruk. Hoe groter de detector, redeneerden ze, hoe meer reacties er per jaar voorkomen. In een oude goudmijn in Zuid-Dakota vulde Davis zijn Homestake-detector met 600 ton gechloreerde vloeistof. Als een neutrino op een chlooratoom botst, verandert dat atoom in een argonatoom. Per jaar zouden er maar enkele tientallen ontstaan: Bahcall voorspelde er zo’n dertig op basis van zijn theorie over kernfusie in de zon.

Met stromen helium filterde Davis de paar argonatomen die per jaar in de detector ontstonden uit de vloeistof. Tien atomen per jaar uit een tank met tonnen vloeistof filteren was een heidense klus, maar hij kreeg het voor elkaar. Tijdens dertig jaar meten verzamelde Davis ruim 2000 argonatomen.

De conclusie van het monnikenwerk: ja, neutrino’s bestonden. En ja, er was iets grondig mis met de theorieën over de zon en elementaire deeltjes; Bahcall had er bijna drie keer zoveel voorspeld! Andere detectoren zoals de enorme Japanse Super-Kamiokande-detector bevestigden de lage neutrino-telling.

De Super-kamiokande-detector, gebouwd in een oude zoutmijn in de Japanse Alpen. De detector is gevuld met extreem zuiver water en aan de binnenkant bekleed met lichtsensoren. Elke keer als een neutrino met één van de neutronen in de reactor reageert, ontstaat er een klein lichtflitsje. Ook andere deeltjes dan neutrino’s kunnen zo’n lichtflits veroorzaken. Om die verstoring zoveel mogelijk te vermijden ligt de detector kilometers onder het oppervlak. Alleen neutrino’s kunnen zo’n laag gesteente doordringen.bron: Super-Kamiokande Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Waarom produceerde de zon zo weinig neutrino’s? Vonden er minder kernreacties plaats dan voorspeld? Dan zou de zon ergens anders de energie vandaan moeten halen om niet in zijn eigen gewicht in te storten. Zou een kernfusie misschien meer energie opleveren dan door Einstein’s E = mc2 mogelijk is? Daar wilde al helemaal niemand aan. Het duurde tot in de jaren 1980 voor theoretici een uitweg vonden. Ze gaven neutrino’s wat Pauli ze jaren terug had vergeten te geven: massa.

Davis’s experiment was erop ingericht om alleen elektron-neutrino’s te meten. Dat is immers de variant die in de zon wordt aangemaakt en Bahcall had geen reden om aan te nemen dat de deeltjes tussen zon en aarde ergens anders in zouden veranderen. Voor veranderingen is namelijk tijd nodig, en een massaloos deeltje heeft die volgens Einstein niet.

Weten we het nog? Hoe sneller een klok langs je heen schiet, hoe langzamer je de klok aan boord ziet lopen. Einstein voorspelde het 100 jaar geleden al en het verschijnsel is uitvoerig getest. Voor massaloze deeltjes, die volgens de relativiteitstheorie niet anders kunnen dan met de lichtsnelheid reizen, is de tijdrek oneindig sterk. Anders gezegd, een massaloos neutrino kan niet in iets anders veranderen, want zo’n deeltje lijkt bevroren in de tijd terwijl het door de ruimte raast.

In de jaren 1980 begonnen natuurkundigen te twijfelen. Stel nou dat een neutrino toch een minieme massa heeft, dan kan het nooit zo snel reizen als het licht en voelt het daarom het verstrijken van de tijd. Neutrino-soorten kunnen dan ineens in elkaar veranderen. Tijdens de reis van de zon naar de aarde (acht minuten met lichtsnelheid) zou een elektron-neutrino in een mu-neutrino kunnen veranderen, en weer verder in een tau- of elektron-neutrino. Tegen de tijd dat de bundel deeltjes bij de aarde komt, bestaat die nog maar voor 35% uit elektron-neutrino’s. Een derde van John Bahcall’s voorspelling is precies het aantal wat de verschillende detectoren waarnamen. Om de hypothese sluitend te testen was een telling van álle zonne-neutrino’s nodig, niet alleen een theoretische voorspelling.

Drie families van deeltjes Elementaire deeltjes komen volgens het Standaard Model voor in drie ‘families’. Alle materie die we in het dagelijks leven tegenkomen bestaat uit protonen, neutronen en elektronen. Protonen en neutronen bestaan zelf uit up- en down-quarks. Elektronen hebben een ladingsloos en (bijna?) massaloos broertje: het neutrino. Elk van deze deeltjes – quarks, elektron en neutrino – heeft zwaardere varianten. Er zijn nog vier andere quarks, twee zwaardere versies van het elektron (mu en tau) en twee neutrino’s die bij de zware elektron-varianten horen. Interacties tussen al deze deeltjes worden overgebracht door de zogenaamde boodschapperdeeltjes: gluonen voor de sterke kernkracht, fotonen voor de elektro-magnetische kracht en de W en Z-deeltjes voor de zwakke kernkracht. afbeelding: De detector van het Canadese Sudbury Neutrino Experiment (SNO)

Het Canadese Sudbury Neutrino Experiment (SNO) leverde de eerste complete census van neutrino’s uit de zon. In die ondergrondse tank zwaar water konden onderzoekers twee neutrinoreacties waarnemen. Eén die alleen elektron-neutrino’s telde, en één die alle neutrino’s waarnam. De tank lag verder ondergronds dan alle voorgaande neutrino-detectoren, om zoveel mogelijk storing uit te filteren. In 2001 bleek eindelijk dat Bahcall het al die jaren geleden bij het juiste eind had gehad. In totaal kwamen er evenveel neutrino’s uit de zon zetten als hij voorspelde, maar slechts een derde ervan waren elektron-neutrino’s. Daaruit bleek glashard dat neutrinosoorten tussen zon en aarde in elkaar veranderden. Neutrino’s hadden massa, dat kon niet anders. De ontdekking leverde Davis in 2002 één derde (toepasselijk!) van de Nobelprijs voor de Natuurkunde op.

Neutrino-observatoria:

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 januari 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.