Een neutrino heeft geen lading en trekt zich nauwelijks iets aan van andere materie – het reist er gewoon doorheen. Volgens het Standaard Model zijn er drie soorten. Daarvan wordt er een, het elektron-neutrino, in overvloed in de zon geproduceerd. Sterrenkundigen en natuurkundigen kunnen deze spookachtige deeltjes detecteren. Maar ze vonden er steeds te weinig. Onderzoekers van het Canadese Sudbury Neutrino Observatory (SNO) hebben de ontbrekende neutrino’s opgespoord.

Voorafgaande experimenten om de ontbrekende deeltjes te vinden, maten altijd de hoeveelheid elektron-neutrino’s omdat die soort het minst moeilijk is waar te nemen. Volgens de theorie is deze soort ook de enige die in de kernreacties in de zon wordt geproduceerd. Het zou dus geen zin hebben om naar de verwante mu- en tau-neutrino’s te zoeken. Uit experimenten bleek echter dat we op aarde maar een fractie van het voorspelde aantal elektron-neutrino’s waarnemen. Dat betekent dat er ergens iets over het hoofd wordt gezien.

Op jacht naar ontbrekende neutrino’s

In de jaren ‘60 en ’70 van de vorige eeuw werd de oplossing gezocht in een nieuw model voor de energieproductie in de zon. Dat zou minder neutrino’s moeten voorspellen. Al snel bleek echter dat het oude model wel degelijk klopte. Er verdwenen dus neutrino’s onderweg naar de aarde! Een mogelijke verklaring voor deze verdwijntruc is dat neutrino’s van de ene soort in een andere kunnen veranderen. Volgens de theorie van elementaire deeltjes, het Standaard Model, is dat best mogelijk. Maar ze moeten dan wel verschillende massa’s hebben. Uit onderzoek naar de energieproductie van de zon was al gebleken dat de neutrino’s bijna of totaal massaloos moeten zijn. En daar lag hem de moeilijkheid: omdat neutrino’s zo gemakkelijk door materie heendringen (ze voelen alleen de zwakke kernkracht, die niet zo bijster veel invloed kan doen gelden) zijn ze moeilijk in een detector te vangen. Dat maakt het weer moeilijk om ze te wegen.

Groot denken met kleine deeltjes

De oplossing voor dit meetprobleem is altijd al geweest: bouw een grotere detector. De gangbare eenheid in dit soort experimenten is de snu (solar neutrino unit): één snu staat voor één reactie per seconde per 10E36 atomen in de detector. In een detector als de super-Kamiokande in Japan is dan ook zo’n 50.000 liter water aanwezig en worden een paar reacties per dag gemeten.

Het SNO deed metingen met 1000 ton ‘zwaar water’. Zwaar water bestaat uit twee deuterium-atomen en een zuurstof-atoom. Een deuteriumatoom is een waterstofatoom met extra neutron in de kern (een zogeheten isotoop). Met deze stof kan een neutrino op een aantal manieren reageren. Het kan een elektron uit zijn baan botsen. Maar mu- en tau-neutrino’s zijn daar veel slechter in dan elektron-neutrino’s. Het neutrino kan ook met het neutron in de deuteriumkern reageren en een proton en een elektron opleveren: dit proces kan alleen maar met elektron-neutrino’s plaatsvinden. Als laatste mogelijkheid kan het neutrino het neutron in de kern raken en het eruit stoten. Deze reactie is onafhankelijk van de soort van het neutrino. Zij kan dus gebruikt worden om het totale aantal neutrino’s te bepalen. Deze mogelijkheid was voor het SNO de reden om het zeer dure zware water als detector-materiaal te gebruiken.

Uit de metingen van het SNO-team blijkt er duidelijk meer gevallen zijn waarbij het neutron uit de kern wordt gestoten dan andere reacties. Dat betekent dat er naast elektron-neutrino’s ook andere soorten in de detector aankomen. Verder klopt het totale aantal neutrino’s met de voorspellingen van de theorie. De conclusie is duidelijk: onderweg naar de aarde verandert een deel van de elektron-neutrino’s uit de zon in mu- of tau-neutrino’s. Onze ideeën over de energieproductie in de zon hoeven dus niet op de helling.

Bijna het hele plaatje?

Wie denkt dat alle neutrinoexperimenten in de wereld morgen worden stopgezet, heeft het mis. Natuurkundigen zijn gek op details. Nu ze weten dat neutrino’s massa hebben, willen ze ook precies weten hoeveel. De neutrino-massa is niet alleen voor natuurkundigen interessant. De massa van één enkel neutrino is weliswaar vele malen kleiner is dan die van het elektron, de vorige record-houder, maar neutrino’s komen in gigantische aantallen voor. Sterrenkundigen denken dat ze zelfs een mogelijke kandidaat zijn voor de ‘donkere materie’ die melkwegstelsel bijeenhoudt. De zwaartekrachtswerking van sterren, stof en gas in melkwegstelsels is daarvoor niet voldoende. Klaarblijkelijk zien we met gewone waarnemingen nog een deel van de materie over het hoofd.

Het SNO-team kan niet direct bijdragen aan de massabepaling: met hun metingen is alleen het kwadraat van het massaverschil tussen de neutrino-soorten te meten. Er zit voorlopig dus nog brood in het neutrino-onderzoek!