Een massief spookje; SUPER-KAMIOKANDE DETECTOR ZIET VERANDERING MUON-NEUTRINO

Vorige week presen- teerde een Japans- Amerikaans team van natuurkundigen de vondst van de massa van het neutrino. Na eerdere dubieuze claims is het nu echt menens.

NEUTRINO'S zijn er sinds de Oerknal maar op aarde kennen we ze vanaf 1930. Dat jaar postuleerde de Zwitserse fysicus Wolfgang Pauli het deeltje als uitweg voor een diepe crisis die de natuurkunde toen teisterde. Probleem was de energieboekhouding bij het -verval: de reactie waarbij een neutron, onderdeel van de atoomkern, overgaat in een proton en een elektron. De lading is in orde: een neutron is neutraal, proton en elektron zijn even groot maar tegengesteld geladen. Anders lag het met de energie, daar bestond een tekort en daarmee dreigde een schending van een fundamentele behoudswet. De oplossing van Pauli was geniaal: verzin een deeltje dat de resterende energie bij zich draagt, en laat aan de experimentoren de klus het in de natuur te vinden.

Het nieuwe deeltje kreeg van Enrico Fermi de naam neutrino, Italiaans voor 'klein neutron'. Vanwege zijn ongrijpbaarheid heet het ook wel 'spookdeeltje': het vliegt met praktisch de lichtsnelheid (300.000 km/s), is ultraklein en heeft nauwelijks interactie met de materie. Van de 65 miljard zonneneutrino's die per seconde door een vierkante centimeter aardoppervlak vliegen, zijn er maar zes die op hun tocht naar onze tegenvoeters iets opmerken. Het duurde tot 1956 eer Pauli's geesteskind, door Fred Reines en Clyde Cowan, experimenteel werd aangetoond. Ze betrapten neutrino's in de buurt van een kerncentrale in Hanford (Washington), waar ze in groten getale uit tevoorschijn komen. In de vrije natuur traden ze pas in 1965 aan het licht, in een Zuid-Afrikaanse goudmijn. In 1995 won Reines - in naam lid van het Superkamiokande-team dat vorige week de 'zwaarte' van het neutrino claimde, maar ernstig ziek - de Nobelprijs (Cowan overleed in 1994).

Net als bij quarks en elektronen, andere bouwstenen van de materie, zijn er neutrino's in drie soorten: drie families met toenemende massa. De lichtste familie van elementaire deeltjes bestaat uit het up- en downquark (waaruit protonen en neutronen bestaan), alsmede het elektron en het elektron-neutrino. Een tree hoger bevinden zich charm- en strangequark, het muon en het muon-neutrino. Het zwaarst zijn top- en bottomquark, tau-deeltje en tau-neutrino. Naar de laatste zijn fysici nog op zoek. Allemaal hebben ze een plaats in het Standaardmodel, dat ook hun interacties beschrijft. Dat model is zeer succesvol, niettemin behoeft het revisie: de massa's van de neutrino's is op nul gesteld, een theoretische aanname die Superkamiokande weerspreekt.

Neutrino's ontstaan in velerlei omstandigheden. Ze zijn in overweldigende aantallen geproduceerd tijdens de Oerknal, vijftien miljard jaar geleden. Hun massa is miljoenen malen kleiner dan die van een elektron, maar doordat ze vijftig miljard keer zo talrijk zijn kan al de geringste 'zwaarte' van neutrino's de oplossing betekenen voor het probleem van de 'donkere materie'. Dat is de massa die de kosmologen tekort komen om de waargenomen dynamiek van het uitdijende heelal te verklaren.

Verder ontstaan neutrino's bij supernova-explosies, in kernreactoren, bij botsingen in deeltjesversnellers, in de zon en onder invloed van kosmische straling hoog in de aardatmosfeer. Die laatste bron vormt het uitgangspunt voor het Superkamiokande-experiment.

In eerste instantie botst kosmische straling op een luchtmolecuul, waarbij een serie secundaire deeltjes ontstaat die praktisch met de lichtsnelheid alle in dezelfde richting vliegen. Sommige zijn instabiel en vallen uit elkaar onder uitzending van neutrino's. Terwijl alle andere deeltjes door de atmosfeer of de aardbodem geabsorbeerd worden, vliegt het overgrote deel van de neutrino's ongehinderd door. Van de soort die de Kamiokande-detector kan zien dringen er zo'n honderd per seconde door het menselijk lichaam - met 10 procent kans dat in één mensenleven één neutrino daarvan 'hinder' ondervindt. Wie ze wil betrappen moet van goeden huize komen.

Superkamiokande bestaat uit een dubbelwandige roestvrij stalen tank gevuld met 50.000 ton ultrazuiver water. Om te beletten dat andere deeltjes dan neutrino's het bassin binnendringen, is de detector weggestopt in een oude zinkmijn, een kleine kilometer onder een Japanse Alpen-top, niet ver van de stad Kamioka. De cilindervormige tank is omgeven door 11.146 fotomultiplicatoren, die licht omzetten in elektrische signalen. Bij elkaar hebben ze een oppervlak van zo'n 4000 m, meer dan het tienvoudige van enige andere detector. Een filtratiesysteem houdt verontreinigingen, die verstorend zouden kunnen werken, buiten de tank. Vijf containers aan elektronica zorgen voor verwerking van de opgepikte signalen.

Zo'n signaal ontstaat doorgaans wanneer een neutrino een quark in de kern van een zuurstofatoom treft. Daarbij 'steelt' het lading en transformeert, al naar gelang het type neutrino, in een elektron of een muon. Een neutrino is pas te zien als het in iets anders verandert. Afhankelijk van de energie die deze deeltjes meekrijgen, leggen ze enkele meters in het water af. Omdat ze sneller vliegen dan de lichtsnelheid in water (driekwart van die in vacuüm), veroorzaken ze een schokgolf - vergelijk het met een straaljager die harder dan het geluid vliegt - in de vorm van Cherenkovstraling. Deze blauwe lichtkegel (tophoek: 84 graden; duur: miljardsten van een seconde) treft de fotobuizen. Uit het patroon, tijdsverloop en de intensiteit waarmee deze een signaal afgeven is na bewerking van de data te achterhalen uit welke richting het neutrino kwam, hoe groot zijn energie was èn of hij tot het elektron of muontype behoorde. De baan in de watertank van een elektron is door zijn geringere massa grilliger dan die van een muon, zodat de Cherenkov-ring op de detectorwand waziger is. Gemiddeld ziet de Superkamiokande iedere anderhalf uur één atmosferisch neutrino; identificatie als elektron- of muon-neutrino is 98 procent zeker.

Met de atmosferische neutrino's is iets vreemds aan de hand. Theoretische berekeningen wezen uit dat er tweemaal zoveel muon- als elektron-neutrino's vanuit de atmosfeer zouden moeten komen, maar in 1985 vonden detectoren in Hawaii en Kamioka een verhouding die eerder 1:1 was. Voor deze anomalie zijn vele verklaringen voorgesteld, maar de Superkamiokande-resultaten van vorige week maken duidelijk dat de oorzaak schuilt in een tekort aan muonneutrino's. Ondubbelzinnig is aangetoond dat er veel minder muonneutrino's van onderen, dwars door de aarde heen, de detector bereiken dan van boven. Het gaat om een zeer significant effect, verkregen na 537 dagen meten en gebaseerd op analyse van 4700 neutrino-interacties. Inmiddels zijn de resultaten aangeboden aan het tijdschrift Physical Review Letters. Het artikel draagt de namen van honderd fysici uit Japan en Amerika.

Resteert de vraag waar de muonneutrino's op hun pad dwars door de aarde, op weg naar het Japanse bassin, gebleven zijn. Het Superkamiokande-team is maandenlang alle mogelijke oorzaken nagelopen, variërend van fouten in de detector tot alternatieve theorie. De conclusie is dat de theorieën alle falen op één na: alleen de idee van een 'oscillerend' muon-neutrino klopt met de data. Terwijl een muonneutrino dat van boven komt geen tijd heeft om van identiteit te wisselen, lukt dat een die 13.000 kilometer door de aarde reist wel. Ook blijkt het effect omgekeerd evenredig met de neutrino-energie, wat klopt met de oscillatie-hypothese. Immers: hoe hoger de energie, des te langzamer het tempo van oscilleren, omdat Einsteins relativiteitstheorie in dat geval de klok langzamer laat lopen. Het resultaat staat als een huis. Waar de statistische eis voor vèrgaande claims doorgaans op vijf standaarddeviaties ligt, bedraagt de nauwkeurigheid hier zestien stuks.

Neutrino-oscillaties zijn een quantummechanisch effect waarbij (in dit geval) een muonneutrino van identiteit wisselt: het verandert periodiek in een neutrino van een ander type, welk is niet helemaal duidelijk. Het idee van oscillerende neutrino's is al in 1957 geopperd door Bruno Pontecarvo (later liep hij over naar de Sovjet-Unie). Eerst was de gedachte een curiositeit, het mocht van de natuur maar geen theoreticus die er op zat te wachten. Totdat dertig jaar geleden ontdekt werd dat de zon veel minder neutrino's naar de aarde zendt dan verwacht. Mochten ze tijdens de reis van 150.000.000 kilometer naar de aarde van identiteit wisselen, dan was het geen wonder dat er een tekort was. Maar een hard experimenteel bewijs ontbreekt en de zonneneutrino-anomalie staat nog altijd open.

Het oscilleren van muonneutrino's, zo hebben theoretici vastgesteld, kan alleen als ten minste één type neutrino massa heeft. De metingen van het Superkamiokande-team duiden op een massaverschil tussen beide types van 0,07 eV (in deze tak van fysica worden massa's opgegeven in de energie-eenheid elektronvolt, via E=mc zijn energie en massa aan elkaar gerelateerd). Dit is gelijk aan ongeveer een tien miljoenste deel van de massa van het elektron. Waarom dit getal zo laag is, is een mysterie.

Intussen meet Superkamiokande gewoon door. Over twee jaar hoopt het Japans-Amerikaanse team te kunnen zeggen in welk type het muon-neutrino verandert. Kandidaten zijn het tau-neutrino en een nieuw type dat niets met materie doet. Tau's zijn favoriet: de eerste gegevens wijzen in die richting en nieuwe deeltjes voert de fysicus alleen in als het echt niet anders kan.

Op internet is veel informatie te vinden, via www.phys.washington.edu/ñ superk/ of www.ps.uci.edu/ñ superk/superk-uci-home- previous.html