Een neutrino is een elementair deeltje dat erg lijkt op een elektron, maar geen elektrische lading heeft. Het heeft een zeer kleine massa, die zelfs nul kan zijn. De snelheid van het neutrino hangt ook af van de massa. Het verschil in aankomsttijd van het deeltje en licht is 0,0006% (± 0,0012%). In 2011 bleek tijdens het OPERA-experiment dat de snelheid van neutrino's de lichtsnelheid overschrijdt, maar onafhankelijke ervaring heeft dit niet bevestigd.
Het ongrijpbare deeltje
Dit is een van de meest voorkomende deeltjes in het universum. Omdat het heel weinig interactie heeft met materie, is het ongelooflijk moeilijk te detecteren. Elektronen en neutrino's nemen niet deel aan sterke nucleaire interacties, maar evenzeer aan zwakke. Deeltjes met deze eigenschappen worden leptonen genoemd. Naast het elektron (en zijn antideeltje, het positron), omvatten geladen leptonen het muon (200 elektronenmassa's), de tau (3500 elektronenmassa's) en hun antideeltjes. Ze worden zo genoemd: elektronen-, muon- en tau-neutrino's. Ze hebben elk een anti-materiële component die een antineutrino wordt genoemd.
Muon en tau hebben, net als een elektron, deeltjes die hen vergezellen. Dit zijn muon- en tau-neutrino's. De drie soorten deeltjes verschillen van elkaar. Wanneer muon-neutrino's bijvoorbeeld een interactie aangaan met een doelwit, produceren ze altijd muonen, nooit tau of elektronen. In de interactie van deeltjes, hoewel elektronen en elektron-neutrino's kunnen worden gecreëerd en vernietigd, blijft hun som onveranderd. Dit feit leidt tot de verdeling van leptonen in drie typen, die elk een geladen lepton en een bijbehorend neutrino hebben.
Er zijn zeer grote en extreem gevoelige detectoren nodig om dit deeltje te detecteren. Normaal gesproken zullen lage-energetische neutrino's vele lichtjaren reizen voordat ze in contact komen met materie. Bijgevolg zijn alle experimenten op de grond met hen afhankelijk van het meten van hun kleine fractie in interactie met recorders van redelijke grootte. Bij het Sudbury Neutrino Observatory, dat 1000 ton zwaar water bevat, passeren bijvoorbeeld ongeveer 1012 zonne-neutrino's per seconde de detector. En er worden er maar 30 per dag gevonden.
Ontdekkingsgeschiedenis
Wolfgang Pauli postuleerde voor het eerst het bestaan van een deeltje in 1930. Er deed zich toen een probleem voor omdat het leek alsof energie en impulsmoment niet behouden bleven bij bètaverval. Maar Pauli merkte op dat als een niet-interagerend neutraal neutrinodeeltje wordt uitgezonden, de wet van behoud van energie zal worden nageleefd. De Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi ontwikkelde de theorie van bètaverval in 1934 en gaf het deeltje zijn naam.
Ondanks alle voorspellingen konden neutrino's 20 jaar lang niet experimenteel worden gedetecteerd vanwege de zwakke interactie met materie. Omdat de deeltjes niet elektrisch zijn:geladen, worden ze niet beïnvloed door elektromagnetische krachten en veroorzaken ze daarom geen ionisatie van materie. Bovendien reageren ze alleen met materie door zwakke interacties van verwaarloosbare kracht. Daarom zijn het de meest doordringende subatomaire deeltjes, die door een enorm aantal atomen kunnen gaan zonder enige reactie te veroorzaken. Slechts 1 op de 10 miljard van deze deeltjes, die door materie reizen met een afstand gelijk aan de diameter van de aarde, reageert met een proton of neutron.
Eindelijk, in 1956, kondigde een groep Amerikaanse natuurkundigen onder leiding van Frederick Reines de ontdekking van het elektron-antineutrino aan. In haar experimenten interageerden antineutrino's die door een kernreactor werden uitgezonden met protonen om neutronen en positronen te vormen. De unieke (en zeldzame) energiekenmerken van deze nieuwste bijproducten leveren bewijs voor het bestaan van het deeltje.
De ontdekking van geladen muon-leptonen werd het startpunt voor de daaropvolgende identificatie van het tweede type neutrino - muon. Hun identificatie werd in 1962 uitgevoerd op basis van de resultaten van een experiment in een deeltjesversneller. Hoogenergetische muonische neutrino's werden geproduceerd door het verval van pi-mesonen en op zo'n manier naar de detector gestuurd dat hun reacties met materie konden worden bestudeerd. Hoewel ze niet-reactief zijn, zoals andere typen van deze deeltjes, is gebleken dat in de zeldzame gevallen dat ze reageren met protonen of neutronen, muon-neutrino's muonen vormen, maar nooit elektronen. In 1998 hebben de Amerikaanse natuurkundigen Leon Lederman, Melvin Schwartz en Jack Steinbergerontving de Nobelprijs voor Natuurkunde voor de identificatie van het muon-neutrino.
In het midden van de jaren zeventig werd de neutrinofysica aangevuld met een ander type geladen leptonen - tau. Het tau-neutrino en tau-antineutrino bleken geassocieerd te zijn met dit derde geladen lepton. In 2000, natuurkundigen bij het National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi rapporteerde het eerste experimentele bewijs voor het bestaan van dit type deeltje.
Massa
Alle soorten neutrino's hebben een massa die veel kleiner is dan die van hun geladen tegenhangers. Experimenten laten bijvoorbeeld zien dat de elektron-neutrinomassa kleiner moet zijn dan 0,002% van de elektronenmassa en dat de som van de massa's van de drie soorten kleiner moet zijn dan 0,48 eV. Jarenlang leek het erop dat de massa van een deeltje nul was, hoewel er geen overtuigend theoretisch bewijs was waarom dit zo zou moeten zijn. Toen, in 2002, leverde het Sudbury Neutrino Observatorium het eerste directe bewijs dat elektron-neutrino's die worden uitgezonden door kernreacties in de kern van de zon van type veranderen terwijl ze er doorheen reizen. Dergelijke "oscillaties" van neutrino's zijn mogelijk als een of meer soorten deeltjes een kleine massa hebben. Hun onderzoek naar de interactie van kosmische straling in de atmosfeer van de aarde wijst ook op de aanwezigheid van massa, maar er zijn verdere experimenten nodig om dit nauwkeuriger te bepalen.
Bronnen
Natuurlijke bronnen van neutrino's zijn het radioactieve verval van elementen in de ingewanden van de aarde, waarineen grote stroom van laagenergetische elektronen-antineutrino's wordt uitgezonden. Supernova's zijn ook voornamelijk een neutrino-fenomeen, omdat alleen deze deeltjes het superdichte materiaal kunnen doordringen dat wordt geproduceerd in een instortende ster; slechts een klein deel van de energie wordt omgezet in licht. Berekeningen tonen aan dat ongeveer 2% van de energie van de zon de energie is van neutrino's die worden geproduceerd in thermonucleaire fusiereacties. Het is waarschijnlijk dat de meeste donkere materie in het heelal bestaat uit neutrino's die tijdens de oerknal zijn geproduceerd.
Problemen van de natuurkunde
De gebieden die verband houden met neutrino's en astrofysica zijn divers en ontwikkelen zich snel. De huidige vragen die een groot aantal experimentele en theoretische inspanningen aantrekken, zijn de volgende:
- Wat zijn de massa's van verschillende neutrino's?
- Hoe beïnvloeden ze de Big Bang-kosmologie?
- Zwaaien ze?
- Kunnen neutrino's van het ene type in een ander veranderen terwijl ze door materie en ruimte reizen?
- Zijn neutrino's fundamenteel verschillend van hun antideeltjes?
- Hoe storten sterren in en vormen ze supernova's?
- Wat is de rol van neutrino's in de kosmologie?
Een van de al lang bestaande problemen van bijzonder belang is het zogenaamde zonne-neutrino-probleem. Deze naam verwijst naar het feit dat tijdens verschillende grondexperimenten die de afgelopen 30 jaar zijn uitgevoerd, consequent minder deeltjes werden waargenomen dan nodig is om energie te produceren die door de zon wordt uitgestraald. Een van de mogelijke oplossingen is oscillatie, d.w.z. de transformatie van elektronischeneutrino's in muonen of tau tijdens het reizen naar de aarde. Aangezien het veel moeilijker is om laagenergetische muon- of tau-neutrino's te meten, zou dit soort transformatie kunnen verklaren waarom we niet het juiste aantal deeltjes op aarde waarnemen.
Vierde Nobelprijs
De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2015 werd toegekend aan Takaaki Kajita en Arthur McDonald voor hun ontdekking van de neutrinomassa. Dit was de vierde dergelijke prijs in verband met experimentele metingen van deze deeltjes. Sommigen vragen zich misschien af waarom we ons zo druk moeten maken over iets dat nauwelijks in wisselwerking staat met gewone materie.
Het feit dat we deze kortstondige deeltjes kunnen detecteren, is een bewijs van menselijk vernuft. Omdat de regels van de kwantummechanica probabilistisch zijn, weten we dat, hoewel bijna alle neutrino's door de aarde gaan, sommigen van hen ermee zullen interageren. Een detector die groot genoeg is om dit te detecteren.
Het eerste dergelijke apparaat werd in de jaren zestig diep in een mijn in South Dakota gebouwd. De mijn was gevuld met 400 duizend liter reinigingsvloeistof. Gemiddeld interageert elke dag één neutrinodeeltje met een chlooratoom, waardoor het argon wordt. Het is ongelooflijk dat Raymond Davis, die de leiding had over de detector, een manier bedacht om deze paar argonatomen te detecteren, en vier decennia later, in 2002, kreeg hij de Nobelprijs voor deze verbazingwekkende technische prestatie.
Nieuwe astronomie
Omdat neutrino's zo zwak op elkaar inwerken, kunnen ze grote afstanden afleggen. Ze geven ons de mogelijkheid om naar plekken te kijken die we anders nooit zouden zien. De neutrino's die Davis ontdekte, werden geproduceerd door kernreacties die plaatsvonden in het centrum van de zon, en konden deze ongelooflijk dichte en hete plaats alleen ontsnappen omdat ze nauwelijks interactie hebben met andere materie. Het is zelfs mogelijk om een neutrino te detecteren dat vliegt vanuit het centrum van een exploderende ster op meer dan honderdduizend lichtjaar van de aarde.
Bovendien maken deze deeltjes het mogelijk om het heelal op zeer kleine schaal waar te nemen, veel kleiner dan waar de Large Hadron Collider in Genève, die het Higgs-deeltje ontdekte, in kan kijken. Om deze reden heeft het Nobelcomité besloten de Nobelprijs toe te kennen voor de ontdekking van weer een ander type neutrino.
Mysterieus vermist
Toen Ray Davis zonneneutrino's observeerde, vond hij slechts een derde van het verwachte aantal. De meeste natuurkundigen geloofden dat de reden hiervoor een slechte kennis van de astrofysica van de zon was: misschien overschatten modellen van het binnenste van de ster het aantal neutrino's dat erin wordt geproduceerd. Maar door de jaren heen, zelfs toen zonnemodellen verbeterden, bleven er tekorten bestaan. Natuurkundigen vestigden de aandacht op een andere mogelijkheid: het probleem zou te maken kunnen hebben met ons begrip van deze deeltjes. Volgens de toen heersende theorie hadden ze geen massa. Maar sommige natuurkundigen hebben beweerd dat de deeltjes eigenlijk een oneindig kleinemassa, en deze massa was de reden voor hun tekort.
Drie-faced deeltje
Volgens de theorie van neutrino-oscillaties zijn er drie verschillende soorten neutrino's in de natuur. Als een deeltje massa heeft, kan het, terwijl het beweegt, van het ene type naar het andere veranderen. Drie typen - elektron, muon en tau - kunnen bij interactie met materie worden omgezet in het overeenkomstige geladen deeltje (elektron, muon of tau-lepton). "Oscillatie" treedt op als gevolg van de kwantummechanica. Het type neutrino is niet constant. Het verandert in de loop van de tijd. Een neutrino, dat zijn bestaan als elektron begon, kan in een muon veranderen en vervolgens weer terug. Zo kan een deeltje gevormd in de kern van de zon, op weg naar de aarde, periodiek veranderen in een muon-neutrino en vice versa. Omdat de Davis-detector alleen elektronenneutrino's kon detecteren die konden leiden tot de nucleaire transmutatie van chloor in argon, leek het mogelijk dat de ontbrekende neutrino's in andere typen waren veranderd. (Het blijkt dat neutrino's in de zon oscilleren, niet op weg naar de aarde.)
Canadees experiment
De enige manier om dit te testen was door een detector te bouwen die voor alle drie de soorten neutrino's werkte. Sinds de jaren negentig leidt Arthur McDonald van Queen's Ontario University het team dat dit deed in een mijn in Sudbury, Ontario. De faciliteit bevatte tonnen zwaar water in bruikleen van de Canadese regering. Zwaar water is een zeldzame maar natuurlijk voorkomende vorm van water waarin waterstof, dat één proton bevat,vervangen door zijn zwaardere isotoop deuterium, dat een proton en een neutron bevat. De Canadese overheid heeft zwaar water opgeslagen omdat het wordt gebruikt als koelmiddel in kernreactoren. Alle drie de soorten neutrino's konden deuterium vernietigen om een proton en een neutron te vormen, en de neutronen werden vervolgens geteld. De detector registreerde ongeveer drie keer het aantal deeltjes in vergelijking met Davis - precies het aantal dat werd voorspeld door de beste modellen van de zon. Dit suggereerde dat het elektron-neutrino zou kunnen oscilleren in zijn andere typen.
Japans experiment
Rond dezelfde tijd deed Takaaki Kajita van de Universiteit van Tokyo nog een opmerkelijk experiment. Een detector geïnstalleerd in een mijn in Japan registreerde neutrino's die niet uit de ingewanden van de zon kwamen, maar uit de bovenste atmosfeer. Wanneer kosmische stralingsprotonen botsen met de atmosfeer, worden buien van andere deeltjes gevormd, waaronder muonneutrino's. In de mijn veranderden ze waterstofkernen in muonen. De Kajita-detector kon deeltjes in twee richtingen zien komen. Sommige vielen van bovenaf, afkomstig uit de atmosfeer, terwijl andere van onderaf bewogen. Het aantal deeltjes was verschillend, wat hun verschillende aard aangaf - ze bevonden zich op verschillende punten van hun oscillatiecycli.
Revolutie in de wetenschap
Het is allemaal exotisch en verbazingwekkend, maar waarom trekken oscillaties en neutrinomassa's zoveel aandacht? De reden is simpel. In het standaardmodel van de deeltjesfysica dat in de afgelopen vijftig jaar van de twintigste eeuw is ontwikkeld,die alle andere waarnemingen in versnellers en andere experimenten correct beschreef, hadden neutrino's massaloos moeten zijn. De ontdekking van de neutrinomassa suggereert dat er iets ontbreekt. Het standaardmodel is niet compleet. De ontbrekende elementen moeten nog worden ontdekt, hetzij door de Large Hadron Collider of door een andere machine die nog moet worden gemaakt.
