Vierde neutrino omstreden

Bestaat er nu een vierde neutrino of niet? Dat is de vraag die fysici stellen nu eerdere aanwijzingen voor het bestaan van een nieuw soort neutrino opeens niet meer bevestigd worden. Het aanvankelijk veronderstelde neutrino zou een vrij grote massa hebben, hetgeen belangrijke consequenties zou hebben voor zowel de theorieen in de deeltjesfysica als in de kosmologie.

Een neutrino (het 'kleine neutrale') is een deeltje zonder elektrische lading en met hooguit een heel kleine massa. Tot voor kort kende men drie soorten: het elektron-, het tau- en het muon-neutrino. Het meest en langst bekend is het eerste type, dat vrijkomt bij het radioactief verval van atoomkernen. Enorme aantallen ervan worden geproduceerd tijdens de kernfusieprocessen in het inwendige van zon en sterren. Volgens een recente theorie zouden neutrino's misschien van het ene in het andere type kunnen overgaan. Al in 1985 waren er aanwijzingen voor het bestaan van een vierde soort neutrino, met een relatief flinke massa. John Simpson, van de universiteit van Guelph in Canada, vond toen een kleine afwijking in het energiespectrum van de elektronen die gelijktijdig met neutrino's worden uitgezonden tijdens het verval van radioactief tritium, een isotoop van waterstof. Uit deze afwijking leidde Simpson af dat drie van de honderd uitgezonden neutrino's een energie of massa van 17 keV (kilo-elektronvolt) hebben en dat de overige massaloos zijn. Verschillende onderzoeksgroepen probeerden dit resultaat te bevestigen, maar zonder resultaat. Een student van Simpson, Andrew Hime, kon de gemeten afwijking echter wel aantonen. Begin dit jaar voerde hij met Nick Jelley een nog nauwkeuriger experiment uit op de universiteit van Oxford. Tijdens het verval van het radioactieve isotoop Zwavel-35 zou bijna een procent van de uitgezonden neutrino's van het 'zware' type van 17 keV zijn. Hime's resultaat werd vrijwel gelijktijdig bevestigd door onderzoekers van het Lawrence Berkeley Laboratory in de Verenigde Staten en door een onderzoeksgroep in Zagreb (Joegoslavie).

Maar toen werd de feestvreugde opeens verstoord door Felix Bohm en zijn collega's op het California Institute of Technology. Zij konden geen enkele afwijking vinden en ook dat resultaat is inmiddels door nog weer andere onderzoekers bevestigd. Detector Het lijkt er op alsof het bestaan van dit nieuwe type neutrino afhangt van het type detector waarmee het elektronenspectrum wordt gemeten. De detectoren die de ontdekkers gebruikten zijn van het halfgeleider-type. De elektronen veroorzaken hierin een signaal waarvan de sterkte een directe maat is voor de energie. De detectoren die Bohm en zijn collega's gebruiken zijn zogeheten magnetische spectrometers, waarin de energie van de elektronen wordt afgeleid uit de kromme baan die zij in een magnetisch veld beschrijven. Bohm, die zijn resultaten publiceert in de Psysical Letters B, denkt dat het probleem ligt bij een subtiel, maar nog niet gedentificeerd effect dat in een siliciumdetector optreedt. Maar niemand heeft tot nu toe iets vreemds in een van deze detectoren kunnen ontdekken en het is wel merkwaardig dat dit euvel dan bij alle experimenten tot dezelfde foutieve uitkomst leidt. Nieuwe, zware neutrino's zijn voer voor deeltjesfysici. In de huidige theorieen in de deeltjesfysica is slechts ruimte voor een rudimentaire neutrino-massa.

Er wordt hard gewerkt om die mogelijke massa te weten te komen, maar tot nu toe heeft men alleen maar steeds lager wordende bovengrenzen kunnen aangeven. Een massa van 17 keV, wat een paar procent is van de massa van het elektron, is daarom verrassend groot. Hij zou de eerste aanwijzing kunnen zijn dat er nog het een en ander aan de theorie ontbreekt. Ook voor kosmologen zou een zwaar neutrino belangrijke consequenties hebben. Het aantal neutrino's in het heelal is vermoedelijk ongeveer gelijk aan het aantal fotonen (lichtdeeltjes), dus heel groot. Het maakt dan dus heel wat uit of een deel van de neutrino's een massa heeft of niet. Zo blijkt er in het heelal een flinke hoeveelheid materie 'zoek' te zijn, dat wil zeggen wel aantoonbaar maar niet waarneembaar. Massarijke neutrino's zouden een deel van die onzichtbare materie kunnen verklaren. Om het huidige neutrinoraadsel te kunnen oplossen, zal men onder andere proberen om op nog een andere manier de energie van elektronen tijdens radioactief verval te meten. Op het Europese Centrum voor Kernonderzoek (CERN) in Geneve wordt momenteel een experiment voorbereid waarmee men eventuele energieverliezen van elektronen in detectormateriaal aan het licht kan brengen.