Neutrino's aan de Maas; GECONTROLEERDE REACTORBRON MOET MEER ZEKERHEID BIEDEN

Nu het 'zware' neutrino is geclaimd is het zoeken is naar een bevestiging met een proefopstelling elders. Bijvoorbeeld in Chooz in de Franse Ardennen.

VORIGE WEEK werd bekendgemaakt dat metingen met een nieuwe neutrinodetector in Japan zouden aantonen dat neutrino's van gedaante kunnen veranderen en dus massa hebben. Drie jaar geleden kwam uit de Verenigde Staten ook al zo'n claim, maar die was te zwak en viel niet te rijmen met resultaten van andere onderzoekers. Bevestiging zal mede moeten komen van metingen aan bronnen waarvan de neutrinoflux nauwkeurig bekend is, zoals die van een deeltjesversneller of een kernreactor.

Zo'n 'gecontroleerd' neutrino-experiment vindt bijvoorbeeld plaats bij Chooz, een pittoresk dorpje een paar kilometer ten zuiden van Givet aan de Maas. De rivier heeft hier in een ver verleden een grote bocht om een heuvel gemaakt en aan deze fraaie meander bevindt zich sinds enkele jaren een laboratorium waarin neutrino's worden gedetecteerd die afkomstig zijn van een kerncentrale aan de overkant van de Maas. Het laboratorium bevindt zich in de heuvel omdat die een uitstekende afscherming biedt tegen de ongewenste natuurlijke radioactiviteit die als gevolg van de kosmische straling ontstaat.

Dit neutrino-experiment bij Chooz (uit te spreken als 'sjoo') in de Franse Ardennen is een van de vele experimenten om mogelijke gedaanteveranderingen of 'oscillaties' van neutrino's te vinden. “Het onderzoek naar mogelijke neutrino-oscillaties is een van de belangrijkste activiteiten in de huidige experimentele natuurkunde”, zegt Yves Déclais van het Institut de Physique Nucléaire de Lyon: het instituut dat de leiding heeft over het Chooz-experiment. In feite wordt via twee technieken naar zulke oscillaties gezocht. Bij de ene techniek tracht men, op een bepaalde afstand van een bron, de aanwezigheid te detecteren van een type neutrino dat er aanvankelijk niet was. Bij de andere techniek meet men of er op die afstand minder neutrino's van één type zijn dan wordt verwacht.

Zijn er neutrino's verschenen of verdwenen, dan kan dit erop wijzen dat er onderweg neutrino's van het ene type in het andere zijn veranderd. Uit de mate van zulke veranderingen zijn dan grenzen voor de massa van een neutrino af te leiden. “In de praktijk zijn zulke metingen echter zeer gecompliceerd”, legt Déclais uit. “Enerzijds moet men precies weten hoeveel neutrino's door een bron worden geproduceerd en anderzijds is het een groot probleem om bij een detector de storende invloed van andere deeltjes uit te sluiten.” Bovendien zijn er neutrino's van verschillende energieën in het spel en is een detector vaak alleen gevoelig voor één energiegebied.

Aanwijzingen voor het mogelijke bestaan van neutrino-oscillaties komen van twee bronnen: de zon en de kosmische straling. Metingen aan de zon, verricht in de afgelopen twintig jaar, laten zien dat deze minder elektron-neutrino's produceert dan men op grond van kernfusieprocessen verwacht. Misschien ligt dit aan onze onvolledige kennis van die processen in de zon, maar het zou ook kunnen zijn dat elektron-neutrino's onderweg naar de aarde in een muon- of tau-neutrino veranderen. Deze worden echter niet waargenomen.

“Het Chooz-experiment is vooral gericht op het ophelderen van het raadsel rond de tweede bron: de kosmische straling”, vertelt Déclais. Het probleem is dat onderzoekers niet precies weten wat zich hoog in de atmosfeer afspeelt. Zo hangt het aantal muon-neutrino's dat door een deeltje van de kosmische straling wordt geproduceerd voor een deel af van de energie van dat deeltje. Die is niet goed bekend omdat in de kosmische straling deeltjes van allerlei energieën zitten. Het is dus niet duidelijk of men nu te weinig muon-neutrino's waarneemt, te veel elektron-neutrino's, of een combinatie van die twee (of zo'n combinatie gecombineerd met een neutrino-oscillatie).

Om verlost te zijn van de onzekere aard van natuurlijke neutrinoproducenten, zijn fysisci ook gebruik gaan maken van kernreactoren en deeltjesversnellers. In de afgelopen paar jaar hebben onderzoekers neutrino's gemeten tot op afstanden van enkele tientallen meters van kernreactoren. Déclais en zijn medewerkers hebben dat gedaan bij de Bugey-reactor in Lyon. Deze metingen hebben aangetoond dat de neutrinoflux van een reactor met grote nauwkeurigheid - tot op bijna één procent - kan worden bepaald. In Chooz bevindt de detector zich op een afstand van een kilometer van de reactoren, waardoor de neutrino's veel meer tijd hebben om eventueel van gedaante te veranderen.

De Chooz-detector staat in een 24 meter lange hal van de vroegere Frans-Belgische kerncentrale Chooz-A. De reactor van deze centrale was in de jaren zestig om veiligheidsredenen - en om hem zoveel mogelijk aan bange en boze ogen te onttrekken - ondergebracht in de heuvel langs de buitenbocht van de Maas. Chooz-A werd in 1991 stilgelegd en ontmanteld en toen het terrein veilig kon worden betreden, werd een van de ondergrondse hallen ter beschikking gesteld van neutrino-onderzoek. “Er behoeft niet meer op radioactiviteit te worden gecontroleerd”, verzekert Déclais wanneer we de 150 meter lange, omlaag lopende toegangstunnel betreden.

De detector bevindt zich in een cilindervormig stalen vat met een diameter van 5,5 meter, dat is opgesteld in een acht meter diepe put onder de vloer van de experimenteerhal. Deze vloer bestaat uit een laag van 14 cm dikke blokken ijzer, die de detector afschermen van de natuurlijke radioactiviteit van het gesteente. Bovendien is de detector nog eens omringd door een 75 cm dikke laag zeer laag-radioactief zand. De 200 meter gesteente boven het dak van de hal schermt de detector af van de meest storende invloed: de snelle neutronen die in de materialen rond de detector als gevolg van de kosmische straling ontstaan.

De neutrino's die hier worden waargenomen zijn afkomstig van de nieuwe, Franse kerncentrale Chooz-B aan de overkant van de Maas. De bouw van deze centrale begon in 1984 en in augustus vorig jaar leverden de twee reactoren hun volle vermogen van gezamenlijk 8,5 gigawatt. Déclais: “Om dit vermogen te kunnen leveren, moeten per seconde 1,5 x 10 splijtingsreacties plaatsvinden. Tijdens iedere reactie worden gemiddeld zes elektron-neutrino's geproduceerd. Het totale aantal neutrino's is dus gigantisch groot en dat is een belangrijke compensatie voor het feit dat er slechts een heel kleine kans is dat een neutrino door de detector wordt geregistreerd.” Omdat hun wisselwerking met materie extreem gering is, heten neutrino's ook wel 'spookdeeltjes'.

Het detectorvat is gevuld met 22 ton scintillator: een doorzichtige, minerale olie waarin snelbewegende deeltjes luminescentiestraling van zeer korte duur produceren. Deze flitsjes worden waargenomen door 192 fotomultipliers langs de binnenwand van het vat. Als een neutrino, heel toevallig, tegen een proton van de vloeistof botst, worden een neutron en een positron geproduceerd. “Als beide binnen een tijdspanne van 100 microseconden worden gedetecteerd en op ongeveer dezelfde plaats in het vat, is het vrijwel zeker dat er een elektron-neutrino is waargenomen”, aldus Déclais.

In de experimenteerhal hangt een weeïge, amandelachtige lucht. De onderzoekers hebben zojuist enkele blokken ijzer van de vloer weggehaald en de afsluiter aan de bovenkant van het detectorvat geopend. Via een lange draad laat men een zwak radioactieve bron in het vat zakken ten behoeve van calibratiemetingen. In de hal staat een laser waarmee periodiek lichtflitsen door de scintillator worden gezonden. Dat is nodig omdat de doorzichtigheid van deze vloeistof in de loop van de tijd door chemische veranderingen heel langzaam afneemt.

VALS SIGNAAL

De metingen laten zien dat er gemiddeld ieder uur één neutrino van de kerncentrale wordt geregistreerd en gemiddeld eenmaal per dag een 'vals' signaal als gevolg van het effect van de kosmische straling. De afschermingsmaatregelen blijken dus zeer doeltreffend. Tot nu toe zijn er geen aanwijzingen dat het elektron-neutrino binnen een afstand van 1.000 meter van gedaante verandert. Dit zou kunnen betekenen dat de bovengenoemde 'verkeerde' verhouding tussen het aantal elektron- en muon-neutriono's uit de hogere atmosfeer aan dit laatste type ligt. Mogelijk verandert dit op zijn weg naar het aardoppervlak in het derde neutrino-type, het tau-neutrino, dat niet door de Chooz-detector kan worden waargenomen. De definitieve resultaten van het Chooz-experiment zullen door Déclais worden gepresenteerd op een conferentie die in september op het NIKHEF in Amsterdam wordt gehouden.

Volgens Déclais ligt het belang van het Chooz-experiment tevens in het feit dat nu is aangetoond dat het mogelijk moet zijn om met een detector van deze gevoeligheid muon-neutrino's van deeltjesversnellers over afstanden van vele honderden kilometers waar te nemen. Deeltjesversnellers zijn een tweede controleerbare bron van neutrino's. Drie jaar geleden meende men op het Los Alamos National Laboratory in New Mexico een verandering van muon-neutrino's in elektron-neutrino's te hebben waargenomen, maar andere onderzoekers vonden die aanwijzingen te zwak en bovendien controversieel: ze bleken niet te rijmen met de resultaten van andere neutrino-metingen.

In Los Alamos werden neutrino's opgevangen die een afstand van 30 meter hadden afgelegd, maar er zijn als projecten in ontwikkeling waarbij deze deeltjes honderden kilometers moeten afleggen. Japan neemt hierbij het voortouw: uit het KEK-laboratorium bij Tokio wil men binnenkort een bundel neutrino's zenden naar de 250 kilometer verderop gelegen Super-Kamiokande detector. Amerikaanse onderzoekers willen in het jaar 2001 met de Soudan-detector in Minnesota neutrino's gaan opvangen die afkomstig zijn van de nieuwe versneller van het Fermilab, op 730 kilometer afstand. En in Europa ligt een voorstel om vanuit het CERN in Genève een neutrinobundel te zenden naar een detector in het Gran Sasso-massief in Midden-Italië, 732 kilometer verderop.

Volgens Déclais zullen echter ook de elektron-neutrino's van kernreactoren over zulke grote afstanden kunnen worden gedetecteerd, zij het dat daarvoor dan digantische detectorvolumes nodig zijn. Ook op dit gebied wil Japan de spits afbijten. In het jaar 2000 wordt in Kamioka een detector opgesteld voor het opvangen van neutrino's van kernreactoren tot op 200 kilometer afstand. Ook de Borexino-detector in het Gran Sasso-massief, die in eerste instantie is bedoeld voor het detecteren van elektron-neutrino's van de zon, zal gaan zoeken naar neutrino's van kernreactoren. Omdat in Italië geen kernreactoren voor energieopwekking zijn, zal de meest nabije reactor voor Gran Sasso zo'n 400 kilometer verderop in Slovenië liggen en zal het grootste deel van de in Gran Sasso gemeten neutrinoflux afkomstig zijn van Franse reactoren.

In het afgelopen jaar kon tijdens het opstarten van de kerncentrale nauwkeurig het verband tussen het geleverde vermogen en het aantal geregistreerde neutrino's worden vastgelegd. Dit verband bevestigt ook het geringe aantal 'valse' detecties als gevolg van deeltjes van de kosmische straling: ongeveer één per dag.

    • George Beekman