Het ‘spookdeeltje’ wordt tastbaar in een waterbassin

Een Japanner en een Canadees worden beloond omdat ze de traagheid van het neutrino aantoonden.

Ongrijpbare spookdeeltjes als neutrino’s zijn niet vaak groot nieuws. De laatste keer was in 2011, toen neutrino’s in een experiment sneller dan het licht zouden gaan. Onverklaarbaar, en het bleek dan ook een meetfout.

De Nobelprijs voor Natuurkunde 2015, die gisteren werd bekendgemaakt, gaat nu naar een oudere, precies tegenovergestelde ontdekking: dat neutrino’s juist trager reizen dan licht. Officieel krijgen de Japanner Takaaki Kajita van de Universiteit van Tokio en de Canadees Arthur McDonald van Queen’s University in Kingston, Canada, de prijs „voor de ontdekking van neutrino-oscillaties, wat betekent dat neutrino’s massa hebben”. Maar dat komt op hetzelfde neer: alleen massaloze deeltjes bewegen zich met lichtsnelheid, alleen deeltjes mét massa gaan trager.

Waarom is die massa – hoogstens een miljoenste miljardste miljardste miljardste gram – zo belangrijk?

Allereerst omdat het niet gemakkelijk is om überhaupt íets vast te stellen over het meest ongrijpbare van alle elementaire deeltjes. Met miljoenen tegelijk zoeven ze dwars door het heelal, de aarde en zelfs je lichaam, zonder dat iemand daar iets van merkt.

In 1930 postuleerde de natuurkundige Wolfgang Pauli hun bestaan, omdat er deeltjes kwijt leken te raken tijdens bepaalde kernreacties. Zulke reacties vinden bijvoorbeeld plaats in de kern van de zon. Pas in de jaren zestig lukte het onderzoeker Ray Davis neutrino’s te betrappen, met hulp van een tank met 600 ton chloorhoudende vloeistof in een mijn in Zuid-Dakota. Dit laatste om storingen door andere soorten straling uit te filteren.

In een meetperiode van dertig jaar veranderden neutrinobotsingen zo’n 2.000 keer een chlooratoom in een argonatoom, wist een zeer geduldige Davis bij elkaar te detecteren. In 2002 werd hij voor zijn neutrino-detectiewerk beloond met de Nobelprijs, ook al klopte de neutrinoboekhouding niet helemaal: de zon had drie keer zo veel neutrino’s moeten leveren.

De Japanse detector Kamiokande waarmee Kajita werkte, bestaat uit een bassin met 50 miljoen liter zuiver water. Zeldzame botsingen tussen watermoleculen en neutrino’s geven daarin zwakke lichtflitsjes af, Tsjerenkov-straling, die met gevoelige detectoren te meten zijn. Het Sudbury Neutrino Observatory in Canada, waaraan Arthur McDonald werkte, heeft een miljoen liter zwaar water, waarmee ook de zeldzamere muon-neutrino’s te betrappen zijn.

Neutrino’s komen voor in drie ‘smaken’: elektron-neutrino’s, muon-neutrino’s en tau-neutrino’s. Dit smakenpalet speelde de hoofdrol in een verklaring voor de missende zonneneutrino’s. Een van de mogelijke verklaringen was dat elektronenneutrino’s van de zon onderweg naar de aarde kunnen veranderen – ‘oscilleren’ is de vakterm – tot muon-neutrino’s. Maar dat kan alleen als er een massaverschil is tussen de verschillende smaken, waardoor de muonneutrino’s iets trager zijn dan elektronneutrino’s.

Het bleek de winnende verklaring. Metingen met de Sudbury-detector maakten de neutrino-boekhouding weer kloppend. Neutrino’s hebben inderdaad – en onverwacht – massa. Die massa is mogelijk een verklaring voor een deel van de ‘donkere materie’ in het heelal. Dat is niet-zichtbare materie waarvan astronomen het bestaan afleiden door de bewegingen van sterrenstelsels. Daarnaast heeft de ontdekking geleid tot een hausse aan nieuwe neutrino-experimenten, van detectoren in de Middellandse Zee tot IceCube, een ‘neutrinotelescoop’ ingevroren in het ijs van Antarcticta.