Door John Beacom, Ohio State University

Neutrino’s vergen geduld. Ze zijn het waard, en de aankondiging van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2015 erkent dat, na gerelateerde prijzen in 1988, 1995 en 2002. Ironisch genoeg kunnen deze bijna-ondetecteerbare deeltjes dingen onthullen die op geen enkele andere manier te zien zijn.

Ik zou kunnen beginnen met te vertellen dat neutrino’s elementaire deeltjes zijn, maar dat klinkt neerbuigend. Ze worden niet elementair genoemd omdat ze gemakkelijk te begrijpen zijn – dat zijn ze niet – maar omdat ze schijnbaar puntvormig zijn, en we ze niet kunnen opsplitsen in kleinere bestanddelen. Een half neutrino bestaat niet.

De kleinste dingen in het heelal

Atomen zijn, ondanks de Griekse naam (“kunnen niet worden doorgesneden”), geen elementaire deeltjes, wat betekent dat ze uit elkaar kunnen worden gehaald. Een atoom is een diffuse wolk van elektronen rond een kleine, dichte kern die bestaat uit protonen en neutronen, die kunnen worden opgesplitst in quarks naar boven en naar beneden.

Partikelbotsers, die deeltjes versnellen tot bijna de snelheid van het licht en ze tegen elkaar laten botsen, helpen ons nieuwe elementaire deeltjes te ontdekken. Ten eerste kan, vanwege E = mc2, de energie van de botsing worden omgezet in de massa van de deeltjes. Ten tweede, hoe hoger de stralingsenergie van de versneller, hoe fijner we samengestelde structuren kunnen oplossen, net zoals we met röntgenstraling kleinere dingen kunnen zien dan met zichtbaar licht.

We zijn er nog niet in geslaagd elektronen of quarks uit elkaar te halen. Dit zijn elementaire deeltjes, die de basisbestanddelen vormen van gewone materie: de legostenen van het heelal. Interessant is dat er veel zware neven van bekende deeltjes zijn die slechts een fractie van een seconde bestaan, en dus geen deel uitmaken van gewone materie. Voor elektronen zijn dat bijvoorbeeld het muon en het tauon.

Wat is een neutrino?

Hoe verschilt dit elementaire deeltje – het neutrino – van alle andere elementaire deeltjes? Het is uniek omdat het zowel bijna massaloos als bijna niet interagerend is. Deze eigenschappen zijn verschillend, maar worden vaak door elkaar gehaald (neem geen advies over neutrino’s aan van een dichter, ook al is het John Updike).

Het is een mysterie waarom neutrino’s bijna, maar niet helemaal, massaloos zijn. Maar we weten wel waarom ze bijna geen wisselwerking hebben: Ze voelen niet de elektromagnetische of de sterke kracht die kernen en atomen bindt, alleen de toepasselijk genoemde zwakke kracht (en de zwaartekracht, maar nauwelijks, omdat hun massa klein is).

Hoewel neutrino’s geen bestanddelen van gewone materie zijn, zijn ze overal om ons heen – elke seconde passeren er een biljoen van de zon je ogen. Er zijn er honderden per kubieke centimeter overgebleven van de oerknal. Omdat er zo weinig interactie is, is het bijna onmogelijk om ze waar te nemen, en je voelt ze al helemaal niet.

Neutrino’s hebben nog andere vreemde aspecten. Ze zijn er in drie soorten, de zogenaamde smaken – elektron-, muon- en tauon-neutrino’s, die overeenkomen met de drie geladen deeltjes waarmee ze paren – en deze lijken allemaal stabiel te zijn, in tegenstelling tot de zware neven van het elektron.

Omdat de drie smaken neutrino’s bijna identiek zijn, is er de theoretische mogelijkheid dat ze in elkaar kunnen veranderen, wat een ander ongewoon aspect van deze deeltjes is, een dat nieuwe natuurkunde kan onthullen. Voor deze transformatie zijn drie dingen nodig: dat de massa’s van neutrino’s niet nul zijn, verschillend zijn voor verschillende soorten, en dat neutrino’s van een bepaalde smaak quantum-combinaties zijn van neutrino’s van een bepaalde massa (dit wordt “neutrino-menging” genoemd).

Tientallen jaren lang werd algemeen verwacht dat aan geen van deze voorwaarden zou worden voldaan. Maar niet door neutrino-fysici – we hielden hoop.

Astronomie bedrijven met onzichtbare deeltjes

Op het laatst bood de natuur uitkomst, en experimentele onderzoekers ontdekten, ondersteund door berekeningen van theoretici. Eerst kwamen tientallen jaren van zoeken door vele experimenten, met belangrijke hints om de jacht aan te moedigen.

Toen, in 1998, kondigde het Super-Kamiokande experiment in Japan sterk bewijs aan dat muon neutrino’s geproduceerd in de atmosfeer van de Aarde veranderen in een ander type (nu gedacht dat het tauon neutrino’s zijn). Het bewijs hiervoor was dat men dit zag gebeuren voor neutrino’s die van “beneden” kwamen en een lange afstand door de aarde hadden afgelegd, maar niet voor die van “boven”, die slechts de korte afstand door de atmosfeer hadden afgelegd. Omdat de neutrino flux (bijna) gelijk is op verschillende plaatsen op Aarde, maakte dit een “voor” en “na” meting mogelijk.

In 2001 en 2002 kondigde het Sudbury Neutrino Observatory in Canada sterk bewijs aan dat elektronneutrino’s die in de kern van de zon worden geproduceerd ook van smaak veranderen. Deze keer was het bewijs dat neutrino’s met de elektronensmaak die verdwenen weer tevoorschijn kwamen als andere soorten (waarvan nu gedacht wordt dat het een mengeling is van muon- en tauon-neutrino’s).

Bij elk van deze experimenten werden ongeveer half zoveel neutrino’s waargenomen als op grond van theoretische voorspellingen verwacht werd. En, misschien toepasselijk, kregen Takaaki Kajita en Arthur McDonald elk een halve Nobelprijs.

In beide gevallen werden kwantummechanische effecten, die normaal gesproken alleen op microscopische afstanden werken, waargenomen op aardse en astronomische afstandsschalen.

Zoals de voorpagina van The New York Times in 1998 zei: “Massa gevonden in ongrijpbaar deeltje; heelal kan nooit meer hetzelfde zijn.” Deze duidelijke aanwijzingen voor verandering van neutrino-smaak, die sindsdien in detail zijn bevestigd en gemeten in laboratoriumexperimenten, tonen aan dat neutrino’s massa hebben en dat deze massa’s verschillend zijn voor verschillende soorten neutrino’s. Interessant is dat we nog niet weten wat de waarden van de massa’s zijn, hoewel andere experimenten aantonen dat ze ongeveer een miljoen keer kleiner moeten zijn dan de massa van een elektron, en misschien nog kleiner.

Dat is de kop. De rest van het verhaal is dat de menging tussen de verschillende neutrino-smaken in feite vrij groot is. Je zou kunnen denken dat het slecht nieuws is als voorspellingen mislukken – bijvoorbeeld dat we nooit in staat zouden zijn om verandering van neutrino-smaak waar te nemen – maar dit soort mislukkingen is juist goed, omdat we iets nieuws leren.

Internationale vereniging van neutrinojagers

Ik ben erg blij met deze erkenning voor mijn vrienden Taka en Art. Ik zou willen dat verschillende sleutelfiguren, zowel experimentelen als theoretici, die op essentiële manieren hebben bijgedragen, een soortgelijke erkenning hadden gekregen. Het kostte vele jaren om deze experimenten op te zetten en uit te voeren, die op hun beurt voortbouwden op traag, moeilijk en grotendeels onbeloond werk dat tientallen jaren terugging en de inspanning van honderden mensen vergde. Daaronder valt ook een belangrijke deelneming van de VS aan zowel Super-Kamiokande als het Sudbury Neutrino Observatory. Dus, gefeliciteerd met neutrino’s, met Taka en Art, en met de vele anderen die dit mogelijk hebben gemaakt!

Toen ik meer dan 20 jaar geleden voor het eerst aan neutrino’s begon te werken, zeiden veel mensen, waaronder vooraanstaande wetenschappers, tegen me dat ik mijn tijd verspilde. Later drongen anderen er bij mij op aan om aan iets anders te werken, want “mensen die aan neutrino’s werken krijgen geen baan.” En zelfs nu nog denken veel natuurkundigen en astronomen dat we iets najagen dat bijna denkbeeldig is.

Maar dat is niet zo. Neutrino’s bestaan echt. Ze zijn een essentieel onderdeel van de natuurkunde en werpen licht op de oorsprong van massa, de asymmetrie van deeltjes en deeltjes in het heelal, en misschien het bestaan van nieuwe krachten die te zwak zijn om met andere deeltjes te testen. En ze zijn een essentieel onderdeel van de astronomie, omdat ze de hoogste-energieversnellers in het heelal onthullen, wat er in de dichtste sterren zit, en misschien nieuwe en anders ongeziene astrofysische objecten.

De auteur beschrijft hoe de feiten die we over het heelal leren ons gevoel van betekenis vormen.

Kleine deeltjes, grote mysteries

Waarom zou je je druk moeten maken, behalve dat we onze nieuwsgierigheid delen over het onthullen van enkele van de vreemdste dingen in het heelal?

De zwakke kracht die neutrino’s voelen is wat protonen in neutronen verandert, wat kernfusiereacties in de zon en andere sterren aandrijft, en de elementen creëert die planeten en het leven zelf mogelijk maken.

Neutrino’s zijn het enige bestanddeel van donkere materie dat we begrijpen, en het uitzoeken van de rest zal ons helpen de structuur en evolutie van het heelal te begrijpen. Als de massa’s van neutrino’s veel groter waren geweest, zou het heelal er heel anders uitzien, en zouden wij er misschien niet meer zijn.

Ten slotte, als je puur praktisch bent, neutrino-fysica en astrofysica is een van de moeilijkste banen, waarvoor we ongelooflijk gevoelige detectoren en technieken moeten uitvinden. Deze kennis kan ook voor andere doeleinden worden gebruikt; met behulp van een neutrino-detector kunnen wij bijvoorbeeld vaststellen of een vermeende kernreactor aan staat, wat het vermogen ervan is en zelfs of hij plutonium produceert.

De afgelopen decennia zijn op het gebied van neutrino-fysica en astronomie geweldig geweest, maar sommige van de spannendste dingen beginnen nu pas te gebeuren. Het IceCube Neutrino Observatorium op de Zuidpool ziet nu hoogenergetische neutrino’s van buiten ons melkwegstelsel. Super-Kamiokande heeft een plan aangekondigd, gebaseerd op een voorstel van mij en Mark Vagins, om hun gevoeligheid voor antineutrino’s te verbeteren ten opzichte van neutrino’s. En de internationale gemeenschap hoopt een grote nieuwe neutrinofaciliteit te bouwen, waarbij een krachtige bundel neutrino’s van Fermilab in Illinois naar een detector diep onder de grond in de Homestake mijn in Zuid-Dakota zal worden gezonden. Wie weet wat we zullen vinden?

En dat is waar ik echt op heb gewacht.

John Beacom, hoogleraar natuurkunde, hoogleraar astronomie, en directeur van het Center for Cosmology and AstroParticle Physics (CCAPP), Ohio State University

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.