Neutrino-experiment is een sleutel tot de zon

Natuurkunde Met engelengeduld en de zuiverste vloeistof op aarde hebben fysici iets gemeten wat eigenlijk wel verwacht werd.

Boven: Twee nylon vaten vol water in de Borexino-detector. Daaronder: medewerkers brengen detectoren aan.
Boven: Twee nylon vaten vol water in de Borexino-detector. Daaronder: medewerkers brengen detectoren aan. Foto’s Borexino Collaboration

De zon verlicht en verwarmt de aarde. Dat is te danken aan de kernfusieprocessen die zich in het hart van deze ster afspelen. Als de talloze waterstofkernen daar versmelten tot helium, komen gigantische hoeveelheden energie vrij die uiteindelijk het zonsoppervlak verlaten als warmte en licht. Tijdens een krappe 1 procent van de fusieprocessen worden bovendien zwaardere elementen zoals koolstof, stikstof en zuurstof gevormd, schrijven fysici van het Borexino-experiment deze week in Nature. Daarmee bevestigen ze wat theoretisch al werd verwacht, en bieden ze bovendien een handvat om het versluierde binnenste van de zon in meer detail te bestuderen.

De fysici gebruikten neutrino’s als boodschappers van de informatie uit het hart van de zon. Dat lijkt paradoxaal, want van alle fundamentele bouwsteentjes van de kosmos zijn neutrino’s de meest ongrijpbare. Sterker, nagenoeg alle neutrino’s jakkeren met bijna de lichtsnelheid dwars door sterren als de zon en planeten als de aarde heen – en dus ook door detectoren op die aarde.

Zwakke wisselwerking

Hun gebrek aan eigenschappen is daarvoor verantwoordelijk. Doordat ze geen elektrische lading dragen, zijn neutrino’s immuun voor de elektromagnetische kracht die elektronen en atoomkernen tot atomen smeedt. Al even ongevoelig zijn ze voor de sterke kracht die de bouwstenen van atoomkernen, quarks, onafscheidelijk maakt. En omdat neutrino’s amper massa hebben, krijgt ook de zwaartekracht er nauwelijks vat op. Zo blijft er maar één mechanisme over waarbij neutrino’s wél meedoen: de zwakke wisselwerking die een rol speelt bij kernfusie en radioactief verval. Maar het vergt engelengeduld en reusachtige, met vele tonnen vloeistof gevulde detectoren om neutrino’s via die zwakke wisselwerking te pakken te krijgen.

Ter vergelijk: elke seconde razen een kleine honderd miljard van de neutrino’s uit de zon door een aardoppervlakje ter grootte van een duimnagel. En toch ‘botst’ er maar luttele keren per maand een ‘zonneneutrino’ op een atoom in een van de enorme vloeistofvaten die fysici her en der in de aardbodem hebben ‘verstopt’. De lawine van geladen deeltjes die zo’n aanvaring in de vloeistof ontketent, zorgt voor een lichtflitsje dat kan worden opgepikt in meetapparatuur aan de rand van zo’n vloeistofvat. Op die manier brachten het Homestake-experiment in South-Dakota (VS) het Super-Kamiokande-experiment in Japan en het SNO-experiment in Ontario (Canada) de zonneneutrino’s al voor een groot deel in kaart.

Het gaf niet alleen inzicht in het raadselachtige gedrag van neutrino’s zelf, maar de inmiddels redelijk goed begrepen neutrino’s boden ook een uniek venster op het verder zo onzichtbare hart van de zon. Het Borexino-experiment verruimt de blik door dat venster nu verder. Vooral de keuze van de vloeistof maakt de detector gevoelig voor neutrino’s met relatief lage energie, die aan andere experimenten ontglippen. Juist daardoor konden de Borexino-fysici voor het eerst neutrino’s vangen die vrijkomen bij de zeldzame vorming van koolstof, stikstof en zuurstof in de zon.

Zee van storende signalen

Makkelijk was dat niet. Net als andere neutrinodetectoren, bevindt de Borexino-detector zich diep onder de grond. Of liever, diep onder het Gran-Sassogebergte in de Italiaanse Apennijnen. Kilometers gesteente absorberen zo de geladen deeltjes uit de atmosfeer die anders in het vat een zee van storende signalen zouden veroorzaken. Bovendien bevat Borexino zo’n beetje de zuiverste vloeistof op aarde. Daarvoor waren ingenieuze technieken nodig: bijvoorbeeld om te voorkomen dat uit de wand van het roestvrijstalen vat gelekte atomen, via zeldzaam radioactief verval, een stoorsignaal in de vloeistofpoel veroorzaken. Het ging al met al om een onvoorstelbare precisiemeting.

Het resultaat daarvan bevestigt voorlopig dus wat in grote lijnen al werd verwacht. Belangrijker is waarschijnlijk dat – geduldige – (astro)fysici nu een sleutel hebben tot alle fusieprocessen in de zon, en daarmee tot beter begrip van de ster die leven op aarde mogelijk maakt.