Met miljoenen zoeven ze dwars door het heelal

Een Japanner en een Canadees krijgen de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun onderzoek naar het neutrino. Dat is het ongrijpbaarste deeltje van alle elementaire deeltjes.

Het binnenste van de Japanse neutrinodetector Superkamiokande, een ondergrondse tank met 11.146 lichtdetectoren die hier worden geïnspecteerd. Foto Kamioka Observatory ICRR, University of Tokio

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 bekend werd gemaakt, 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 hoogste wetenschapsprijs ‘voor de ontdekking van neutrino-oscillaties, wat betekent dat neutrino 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 van het neutrino – hoogstens een miljoenste miljardste miljardste miljardste gram – zo belangrijk?

Allereerst omdat het niet gemakkelijk is om überhaupt íéts vast te stellen over het ongrijpbaarste 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 diep 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 2000 keer een chlooratoom in een argonatoom, wist een zeer geduldige Davis bij elkaar te detecteren. In 2002 werd hij voor zijn neutrinodetectiewerk beloond met de Nobelprijs, ook al klopte de neutrinoboekhouding niet helemaal: de zon had drie keer zoveel neutrino’s moeten leveren.

Davis’ tonnen-vloeistof-in-een-mijn-aanpak maakte school. De Japanse detector Kamiokande (later opgewaardeerd tot Superkamiokande), waarmee Takaaki 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 muonneutrino’s te betrappen zijn.

Neutrino’s komen voor in drie ‘smaken’: elektronneutrino’s, muon-neutrino’s en tauneutrino’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 muonneutrino’s. Maar dat kan alleen als er een massaverschil is tussen de verschillende smaken, waardoor de muonneutrino’s iets trager zijn dan elektronneutrino’s.

Spookdeeltje

Het bleek de winnende verklaring. Metingen met de Sudbury-detector, in de jaren negentig onder leiding van McArthur, maakten de neutrino-boekhouding weer kloppend. Intussen wist Kajita de gedaantewisseling ook aan te tonen in neutrino’s die ontstaan door botsingen van kosmische deeltjes met de atmosfeer. Als die aan de andere kant van de aarde ontstaan, en dus eerst door de aarde reizen voor hun detectie, veranderen ze vaker dan als ze in de lucht boven Kamiokande zijn ontstaan, en direct betrapt worden.

Neutrino's hebben dus inderdaad en onverwacht – massa. Dat is vooral voor natuurkundigen van belang, omdat de huidige theorie voor alle elementaire deeltjes, het Standaard Model, duidelijk niet het laatste woord is, en bovendien zwijgt over de neutrinomassa. De hoop is dat de onverklaarde neutrinomassa kan dienen als een soort voet tussen de deur, om de theorie uit te breiden.

Verder is de neutrinomassa 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. Daarmee wordt het spookdeeltje deeltje langzaamaan tastbaar.