Neutrino is 'schizofreen'

Vorige week maakten Japanse en Amerikaanse onderzoekers bekend dat het neutrino massa heeft. De spectaculaire ontdekking zou het raadsel van de 'donkere materie' kunnen oplossen.

ROTTERDAM, 8 JUNI. De afgelopen week door een Japans-Amerikaanse onderzoeksgroep bekend gemaakte ontdekking dat het neutrino massa heeft, zal de niet-ingewijde rauw op het dak zijn gevallen. 'Verborgen massa in heelal ontdekt', kopte deze krant. 'Heelal wellicht nooit meer hetzelfde', opende de New York Times. Maar wat zijn neutrino's? En wat hebben ze te maken met de levensloop van het heelal?

Neutrino's behoren tot de familie van elementaire deeltjes, de kleinste bouwstenen waaruit de materie is samengesteld, en waartoe ook elektronen en quarks behoren. Zoals wel vaker in de natuurkunde, was bij de 'presentatie' van het neutrino de theorie het experiment vooruitgesneld. In 1930 stelden fysici vast dat ze niet zonder konden, wilden ze de waargenomen verschijnselen in een ordentelijk theoretisch schema onderbrengen; pas een kwart eeuw later werd het neutrino door de onderzoekers 'gezien'.

Dat laatste heeft een reden. Neutrino's zijn 'spookdeeltjes': ze hebben minuscule afmetingen, vliegen praktisch met de lichtsnelheid (300.000 km/sec) en andere materie heeft er zo goed als geen vat op. Ze ontstaan in enorme aantallen bij kernreacties in de zon, of bij botsing van kosmische straling hoog in de aardatmosfeer, maar daar merken we bar weinig van: het overgrote deel vliegt ongehinderd dwars door de aarde. Om hun bestaan aan te tonen is een reusachtige detector nodig, engelengeduld en een adequate afscherming tegen invloeden van buiten om het eventuele neutrinospoor niet in een 'zee van ruis' te laten verdrinken. Vandaar dat de Japanse Super-Kamiokande detector uit een bassin van 50.000 ton ultrazuiver water bestaat, duizend meter diep zit weggestopt in een verlaten zinkmijn, en dat pas na twee jaar tellen er significante resultaten op tafel liggen.

De ontdekking dat het neutrino massa heeft, is nauw verbonden met hun 'schizofrene' karakter: het deeltje komt voor in meerdere varianten en op hun vlucht kunnen ze van identiteit wisselen. Neutrino's zijn de Dr. Jekyll en Mr. Hyde in de wereld van het allerkleinste.

In het Japans-Amerikaanse experiment bereikten de neutrino's de detector langs twee wegen: van boven, na een vlucht van 20 kilometer door de atmosfeer, of van onder, na een reis van 13.000 kilometer dwars door de aarde. Gemiddeld ieder anderhalf uur wekte er één in het Japanse waterbassin een lichtflitsje op. Door die flitsjes te sorteren al naar gelang het soort neutrino, hun energie en de richting waaruit ze kwamen, waren de onderzoekers in staat met statistische zekerheid vast te stellen dat neutrino's van identiteit kunnen wisselen. Waarmee hun massa is aangetoond.

Op kosmische schaal zijn de consequenties van het 'zware' neutrino groot. Wellicht spelen ze een rol direct na de Oerknal en werpen ze licht op de vraag waarom er zoveel méér materie dan anti-materie in het heelal lijkt te zijn. Omdat gelijke hoeveelheden materie en anti-materie elkaar bij ontmoeting onder uitzending van straling volledig zouden vernietigen, is dit overschot een eerste oorzaak van ons bestaan. Gigantische aantallen neutrino's kunnen, ook al is hun massa miljoenen malen kleiner dan die van een elektron, verder een beslissende rol spelen bij het ontstaan van sterrenstelsels.

Maar verreweg het belangrijkste is dat de ontdekkking van het 'zware' neutrino het raadsel van de 'donkere materie' zou kunnen oplossen. Sinds de Oerknal, zo'n vijftien miljard jaar geleden, vliegt de materie in het heelal uit elkaar: de kosmos expandeert, naar onlangs bleek zeer waarschijnlijk voor eeuwig. Maar de totale hoeveelheid materie die de kosmologen waarnemen, levert onvoldoende naar binnen gerichte zwaartekracht om de grootte van de expansiesnelheid te verklaren: men ziet slechts 10 procent van de massa die er in totaal zou moeten zijn.

Voor het ontbrekende deel, de 'donkere materie', zijn de afgelopen decennia vele kandidaten voorgesteld, de ene nog exotischer dan de ander. Een neutrino met gewicht kan dit probleem in één klap verhelpen.

Voor een zoektocht op het internet is het volgende adres een goed vertrekpunt: http://www.ps.uci.edu/~superk/

    • Dirk van Delft