Neutrino’s zijn moeilijk te vangen. Vermoedelijk hebben ze nauwelijks gewicht en geen lading. Ze laten zich door niets of niemand beïnvloeden, laat staan vangen. Met gemak schieten ze dwars door de aarde heen. Iedere seconde worden mensen en dieren door voorbijkomende neutrino’s doorstraald, zonder dat dit enig effect heeft. Neutrino’s maken niets kapot.
De ondergrondse neutrinodetector in Sudbury (Canada) meet het aantal neutrino’s dat uit de zon komt. Aan de mensen onderin de afbeelding is te zien hoe groot de detector is. bron: Sudbury Neutrino Observatory
Toch gaat het om veel neutrino’s. In de jaren vijftig berekenden sterrenkundigen dat de aarde dagelijks getroffen wordt door een intens bombardement van neutrino’s, afkomstig uit het binnenste van de zon. Daar komen ze vrij bij de fusiereacties die de zon van energie voorzien. Alleen al een duimnagel wordt elke seconde getroffen door 100 miljard neutrino’s.
Lange tijd hebben natuurkundigen gepoogd deze neutrino’s te tellen. Het zijn tenslotte de enige deeltjes die ongestoord uit het binnenste van de zon komen en daarmee de meest directe bron van informatie over de processen in de zon. Het tellen van neutrino’s is lastig. Omdat ze zich ongestoord verplaatsen, zonder effect op andere materie, laten ze ook geen sporen na. Het zijn perfecte insluipers.
Nou ja, bijna perfect. Bij hoge uitzondering botst één van die honderden miljarden neutrino’s toevallig tegen een atoom. De kans daarop is haast onvoorstelbaar klein. Om iets van de neutrino’s te zien, moeten daarom grote detectoren gemaakt worden, met zoveel mogelijk atomen. Dan is de kans het grootst dat een neutrino ergens tegen de lamp loopt. Zo’n detector heeft echter ook last van andere deeltjes, die uit verschillende hoeken van het heelal op ons af komen. Vandaar dat zo’n neutrinodetector in de aarde wordt ingegraven, zo diep dat alleen neutrino’s daar kunnen doordringen.
Problemen in de zon?
Aan het eind van de jaren zestig installeerde de Amerikaan Raymond Davis in een goudmijn in de VS een grote tank chloor om de voorspelde neutrinoregen te meten. Het experiment veroorzaakte beroering onder natuurkundigen, want er waren minder neutrino’s dan verwacht. Wat was er aan de hand? Zat er een fout in de berekeningen? Deugden de metingen niet? Vielen de neutrino’s onderweg uiteen? Het experiment werd op andere plaatsen herhaald, met andere types detectoren. De berekeningen van processen in de zon werden nog eens overgedaan. Er waren geen fouten gemaakt. De puzzel bleef.
Problemen in de aarde… De grootste neutrinodetector ter wereld, de Super Kamiokande in Japan. Door een storing sneuvelden eind 2001 ruim 7000 van de 11.200 lichtmeters in de detector. Die is daardoor buiten bedrijf. Bron: Super Kamiokande / University of Tokyo
Japanse onderzoekers hadden in 1987 geluk toen zij een nieuwe detector hadden geïnstalleerd in een zinkmijn diep in de Japanse bodem. Het apparaat, de Super-Kamiokande, was daar een paar maanden in bedrijf toen een ster explodeerde en korte tijd één van de helderste objecten aan de hemel werd. Vlak voordat de explosie zichtbaar werd, registreerde de Japanse detector een neutrinoflits. Dat leverde kostbare kennis op over de processen in het inwendige van die ster.
Gedaanteveranderingen
Neutrino’s vallen niet uit elkaar, zo bleek bij die sterexplosie. Als ze de 160.000 lichtjaar vanaf de exploderende ster konden afleggen, zouden ze de korte oversteek van de zon naar de aarde ook wel halen. Eén van de mogelijke oplossingen van het neutrinoraadsel was met die gebeurtenis van tafel.
Maar er zijn nog andere oplossingen voor het neutrinoraadsel. Misschien kunnen neutrino’s onderweg wel van karakter veranderen. Er zijn namelijk drie verschillende soorten neutrino’s (het elektron-neutrino, het muon-neutrino, en het tau-neutrino). Onder bepaalde omstandigheden kan het ene soort overgaan in het andere. De neutrino’s van de zon zijn vooral elektron-neutrino’s. Dat zijn ook de neutrino’s die het best door een detector worden opgevangen. Het kan best zijn dat sommige elektron-neutrino’s op hun weg naar de aarde overgaan in een andere soort en zich daardoor onttrekken aan het oog van de detectoren.
Om de puzzel op te lossen, is er een wereldwijde zoektocht aan de gang naar die neutrino-overgangen en het wegen van neutrino’s, zo vertelt René van Dantzig, onderzoeker bij NIKHEF in Amsterdam. Honderd onderzoekers, onder wie Van Dantzig, zijn gezamenlijk bezig om te experimenteren met neutrino’s. In totaal doen zo’n 25 instituten mee, vooral uit Europa en Japan. Van Dantzig heeft met zijn medewerkers een belangrijk onderdeel ontworpen voor de detectoren. Alle apparatuur is samengebracht naar het onderzoeksinstituut CERN in Zwitserland, waar het experiment gedurende vier jaar heeft gewerkt. De neutrino’s werden gemaakt door protonen met veel kracht tegen een stuk metaal te laten botsen. Onder bepaalde omstandigheden ontstaat daarbij een bundel neutrino’s. Die neutrino’s gaan uiteindelijk door een fotografische emulsie van 800 kilo heen. ‘Eén op de miljard neutrino’s laat daarin een spoor na,’ aldus Van Dantzig. ’Zo’n experiment is een constant gevecht om de kans op zo’n spoor zo groot mogelijk te maken.’
Internationaal
Boeiend is ook de internationale samenwerking in zo’n project, zo vertelt Van Dantzig. ‘Je hebt mensen bij elkaar uit verschillende onderzoekstradities. Mensen zijn gewend om problemen op hun eigen manier aan te pakken. Ideeën worden met elkaar geconfronteerd. Dat is heel vruchtbaar. Soms kies je er dan voor twee alternatieven parallel te onderzoeken, in de hoop dat in ieder geval één weg iets oplevert.’
Het mooie van de detector bij CERN is dat verschillende soorten neutrino’s geregistreerd kunnen worden. Dus als er een gedaantewisseling (of transformatie) van de ene soort naar de andere is, kan dat worden vastgelegd. De analyse van de meetresultaten is nu op de helft. Er zat nog geen enkele transformatie bij. Maar misschien levert de tweede helft wel een transformatie op. Eén of twee transformaties zou al heel sensationeel zijn.
Een tekening van een deel van ANTARES, een nog te bouwen detector op de bodem van de Middellandse Zee. bron: ANTARES-samenwerking / NIKHEF
Groot nieuws kwam er tenslotte in de zomer van 2001. In het Sudbury Neutrino Observatory in Canada dat in 1998 in bedrijf kwam, worden neutrino’s van de zon opgevangen. Zoals eerder opgemerkt zijn dat alleen elektron-neutrino’s. De Super-Kamiokande detector in Japan kan alle drie de soorten neutrino’s meten, maar hij is het meest gevoelig voor elektron-neutrino’s. De metingen van de twee detectoren zijn nu met elkaar vergeleken en de uitkomsten wijzen onmiskenbaar in één richting: sommige elektron-neutrino’s van de zon gaan op weg naar de aarde over in een andere soort. Dit lost twee problemen op: het verklaart waarom de zon te weinig neutrino’s leek te produceren en neutronen hebben inderdaad een heel klein beetje massa, zeker tien miljoen keer minder dan een elektron.
Dit resultaat vraagt natuurlijk om bevestiging door andere onderzoekgroepen en mer andere meetmethoden. Van Dantzig is al betrokken bij zo’n volgende stap. Dat is ANTARES, een reusachtige detector van een kubieke kilometer op de bodem van de Middellandse Zee. We kunnen dan de krachtige neutrino’s waarnemen, die misschien ontstaan bij heftige processen aan de rand van zwarte gaten. Dat geeft ons een nieuwe blik op het heelal. Omdat het dan de eerste keer zou zijn dat we die hoog-energetische neutrino’s waarnemen, kun je allerlei verrassingen verwachten.’