Gedaanteverwisseling in doodstil vat

Natuurkunde Neutrino’s en antineutrino’s wisselen niet even vaak van gedaante. Die observatie kan de boekhouding van de kosmos kloppend maken.

Interieur van de Super-Kamiokande Neutrino Detector in Japan. Daar doken 90 neutrino’s en 15 antineutrino’s op.
Interieur van de Super-Kamiokande Neutrino Detector in Japan. Daar doken 90 neutrino’s en 15 antineutrino’s op. Foto Kamioka Observatory/ICCR/The University of Tokyo

In de dierentuin van de elementaire deeltjes is het neutrino het leukste dier. Neem alleen de aankondiging van zijn bestaan. „Ik heb”, zei theoretisch fysicus Wolfgang Pauli in 1930, „iets gedaan wat geen theoreticus zou mogen doen: een deeltje voorspeld dat niet te detecteren valt”. Toen Clyde Cowan en Frederick Reines het deeltje in 1956 toch wisten te vangen, heette hun experiment dan ook Project Poltergeist.

In de decennia daarna wisten fysici met gigantische detectoren diverse exotische eigenschappen van deze minieme en ongrijpbare deeltjes aan de natuur te ontfutselen. Deze week voegen onderzoekers van het T2K-experiment in Japan daaraan een nog onontgonnen eigenschap toe. De ontdekking dat deze spookachtige deeltjes van gedaante kunnen wisselen, leverde in 2015 al een Nobelprijs op. Nieuw is dat ‘gewone’ neutrino’s dat, volgens de T2K-onderzoekers, waarschijnlijk vaker doen dan hun antideeltjes, de antineutrino’s. De T2K-onderzoekers publiceerden hun resultaten woensdag in Nature.

Voorstel van Sacharov

Die observatie is belangrijk voor de boekhouding van de kosmos. Het gangbare idee is dat onze kosmos 13,8 miljard jaar geleden uit een oerknal is voortgekomen. De ‘klap’ zou evenveel materie als antimaterie hebben opgeleverd. Maar nadat antimaterie en materie elkaar hadden vernietigd, bleek er toch wat materie overgeschoten: genoeg voor sterren, planeten en mensen die daarnaar kijken.

Al in de jaren zeventig deed Andrej Sacharov, de Russische kernfysicus en mensenrechtenactivist, daarom een voorstel. Materie- en antimateriedeeltjes zijn daarin nog altijd elkaars spiegelbeeld, met tegengestelde eigenschappen. Maar hun gedrag tijdens fysische processen zou niet altijd spiegelbeeldig zijn en juist dat zou soms een klein materieoverschot kunnen geven.

Voor quarks, de fundamentele bouwsteentjes van atoomkernen, is Sacharovs gelijk inderdaad aangetoond. Maar daarmee is het verhaal niet rond. De asymmetrie zou ook moeten optreden voor elektronen of hun ‘lepton’-familieleden, waaronder de neutrino’s. En zulk asymmetrisch gedrag zou, in de vorm van asymmetrische gedaantewisselingen, dus in het T2K-experiment zijn opgedoken.

Een kilometer diep

Om neutrino’s te maken, gebruikten de ongeveer 500 T2K-fysici en -ingenieurs uit twaalf landen de deeltjesversnellers van het versnellercentrum J-PARC in Tokai, aan de Japanse oostkust. De neutrino’s die ontstonden in botsingen van versnelde deeltjes op grafiet, stuurden ze direct ondergronds door naar Hida, 300 kilometer verderop. Daar staat op één kilometer diepte onder de bergtoppen het Super-Kamiokande Observatorium: een 40 meter hoge cilinder, gevuld met 50.000 ton zuiver water en omringd door 13.000 elektronische ‘ogen’. Waakzaam registreerden die de flitsjes die in het verder doodstille vat ontstonden als een van de neutrino’s met het water in wisselwerking trad. Dat gebeurde zo zelden dat het belangrijkste ingrediënt van het experiment waarschijnlijk geduld was. Ter vergelijking: de versnellers van J-PARC creëerden honderd triljoen potentiële (anti)neutrino producerende botsingen. In Super-Kamiokande doken er uiteindelijk 90 neutrino’s en vijftien antineutrino’s op.

Dat is onvoldoende voor harde uitspraken, geven de onderzoekers zelf toe. Vooral ook omdat de gedaantewisselingen complex zijn. Ze hebben ermee te maken dat neutrino’s in drie smaken voorkomen. Vanuit het perspectief van de quantummechanica zijn neutrino’s altijd een beetje van alle drie die smaken tegelijk. En doordat de sterkte van de afzonderlijke smaken fluctueert, overheerst nu eens de ene smaak en dan weer de andere.

Het Japanse experiment is niet precies genoeg om zekerheid te geven

De voorzichtige observatie van T2K is dat neutrino’s zo’n kameleontische gedaanteverwisseling net iets vaker ondergaan dan anti-neutrino’s, in lijn met Sacharovs voorstel. Maar de kans dat die observatie op toeval berust, ligt tussen de 1 op 50 en 1 op 1.000. Voor een harde uitspraak in de context van de deeltjesfysica moet die kans 1 op 3,5 miljoen zijn.

De reden om toch te publiceren, wordt opgehelderd in het commentaar van Nature. T2K zelf zal de vereiste precisie nooit bereiken – dat zou meer geduld vereisen dan de levensduur van mensen en detectoren toelaat. Daarom staan dure, nieuwe projecten op stapel: Hyper-Kamiokande is voorzien voor 2027; DUNE, in de Verenigde Staten, moet vanaf 2025 observeren; JUNO, in China, al vanaf 2022. Dit resultaat geeft ze een duwtje in de rug. Neutrino’s lijken het sleuteltje tot een beter begrip van onze kosmos en waarom die überhaupt vorm kreeg. Ze zijn de moeite van verder onderzoek waard, zegt het.