Het allerlichtste deeltje weegt (zo’n) 1,4 sextiljoenste kilo

Het neutrino weegt niet meer dan 1,4 sextiljoenste kilogram (1,4 maal 10^-36 kg). Dat is de uitkomst van een jarenlange meting van het Katrin-experiment in het Duitse Karlsruhe. Maandag publiceerden onderzoekers hun resultaten in Nature Physics. „Dit is echt een heel knap uitgevoerde meting”, zegt Patrick Decowski, deeltjesfysicus bij het onderzoeksinstituut Nikhef in Amsterdam. „Het neutrino is echt een sleuteldeeltje, dat ons meer kan vertellen over hoe de natuur werkt.”

Per seconde worden we doorzeefd door miljoenen neutrino’s zonder dat we er iets van merken, zo ongrijpbaar is het lichtste elementaire deeltje dat we kennen.

De mens leerde het neutrino bijna een eeuw geleden kennen. De natuurkundige Wolfgang Pauli stelde het eenkennige deeltje in 1930 voor om het raadsel op te lossen van het bètaverval. Dat is een radioactief proces waarbij een atoomkern naar een lager energieniveau valt, en daarbij een elektron uitzendt.

Onzichtbaar tot 1956

Het eigenaardige was dat het wegschietende elektron allerlei verschillende snelheden kon hebben, in plaats van één vaste energie. Pauli stelde voor dat er ook een onzichtbaar deeltje wegschoot, en daarbij een deel van de ontbrekende energie meenam: het latere neutrino.

Onzichtbaar bleef het deeltje tot 1956, toen het voor het eerst daadwerkelijk gemeten werd. Ook bleken er drie ‘smaken’ te bestaan: elektron, muon en tau-neutrino’s. Onverwacht werd ook duidelijk dat die verschillende smaken bovendien in elkaar kunnen overgaan, iets wat alleen mogelijk is als de massa van neutrino’s niet nul is, zoals altijd was aangenomen.

Maar de waarde van die – hoe dan ook uiterst kleine – neutrinomassa vertelde het resultaat niet. Om die massa te meten is in 2019 het Katrin-experiment in Karlsruhe opgetuigd: in feite een gigantische, extreem precieze spectrometer voor het proces waarbij het neutrino oorspronkelijk ontdekt werd: bètaverval.

Slechts een biljoenste deel van de metingen is interessant

Patrick Decowski deeltjesfysicus

Dat vindt plaats in een buis gevuld met tritiumgas van -243 graden Celsius. Tritium is een radioactieve isotoop van waterstof, die bij bètaverval een elektron en een neutrino uitzendt. De massa’s van die neutrino’s is indirect te meten door heel precies de energieën van de wegschietende elektronen te meten, met hulp van een tien meter lange spectrometer. De hele opstelling is zeventig meter lang.

„Bij het verval is 18.570 elektronvolt energie beschikbaar, en die wordt willekeurig verdeeld over het elektron en het neutrino”, legt deeltjesfysicus Decowski uit. Het absolute minimumaandeel van het neutrino in die energetische boedelsplitsing wordt bepaald door zijn massa (ook gemeten in elektronvolts).

Het alleruiterste randje

Je hoeft alleen dus alleen maar te meten hoeveel energie de elektronen maximaal meenemen. Wat er overblijft is de neutrinomassa. Probleem is alleen: de neutrinomassa is zo klein – rond de 1 elektronvolt – dat alleen het alleruiterste randje van het elektronenspectrum van belang is. Decowski: „Slechts een biljoenste deel van de metingen is interessant, de hele installatie is één groot filter om de rest weg te gooien, en in te zoomen op die ene laatste elektronvolt.”

De uitkomst, na het meten van 3,7 miljoen elektronen over drie jaar: het neutrino weegt met 90 procent zekerheid niet meer dan 0,8 elektronvolt, ofwel 1,4 maal 10^-36 kilogram. Dat is 640.000 keer lichter dan het op één na lichtste bekende elementaire deeltje: het elektron.

De waarde die het best met de metingen overeenkomt is 0,5 elektronvolt, maar de meetfout is met 0,6 eV nog altijd zo groot, dat ook een massaloos neutrino er nog binnen valt. Decowski: „Deze meting is dus eerder een bovengrens, dan een precieze massabepaling.”

De Katrin-onderzoekers rekenen voor dat ze met verschillende maatregelen de meetfout nog verder naar beneden kunnen krijgen, naar 0,2 eV. Decowski: „Als het neutrino zwaarder is, dan kunnen ze de massa dus meten. Dat zou een fantastisch resultaat zijn.”