Spookdeeltje valt opnieuw in de prijzen

Voor de vierde keer al gaat de Nobelprijs Fysica naar neutrino-onderzoek. Dankzij twee reusachtige detectoren – een in Japan en een in Canada – weten we nu dat de meest ongrijpbare deeltjes in het universum tóch massa hebben.

Neutrino’s lopen als een rode draad doorheen de geschiedenis van de elementaire deeltjesfysica. Geboren als theoretisch deeltje in 1930 (de Oostenrijkse fysicus Wolfgang Pauli toverde het uit z’n hoed om zijn theorie van radioactief verval te doen kloppen), werd het pas in 1956 geobserveerd in een experiment door de Amerikaanse natuurkundige Frederick Reines. Die ontving daar veertig jaar later, in 1995, de Nobelprijs voor.

In de jaren 1950 begon het theoretici te dagen dat er naast het elektron-neutrino, dat Pauli had voorspeld en Reines wist te vinden, nog twee andere neutrinosoorten, of ‘smaken’, moesten bestaan: het muon-neutrino en het tau-neutrino. Het muon en het tau-deeltje zijn, ondanks hun veel grotere massa, equivalent aan het elektron. Het neutrino van het muon werd in 1962 ontdekt door drie Amerikaanse wetenschappers, die daarvoor in 1988 de Nobelprijs kregen.

In de jaren 1960 liet de Amerikaanse fysicus Raymond Davis Jr. een gigantische tank met chloorhoudend schoonmaakmiddel vollopen in een verlaten goudmijn in de staat South Dakota. Enkele jaren later kon hij aantonen dat zijn tank neutrino’s afkomstig van de zon had opgevangen. Ook Davis kreeg daar in 2002, samen met twee andere fysici, de Nobelprijs voor.

En nu, in 2015, gaat de hoogste wetenschappelijke onderscheiding dus voor de vierde keer naar neutrino-onderzoek. Snoodaards merkten trouwens al op dat neutrino’s dubbel zoveel Nobelprijzen wonnen als vrouwen. De Japanner Takaaki Kajita en de Canadees Arthur B. McDonald krijgen hem voor hun ontdekking dat neutrino’s toch iets minder spookachtig zijn als ze lijken: ze hebben namelijk massa.

Spooky behaviour

Neutrino’s hebben hun reputatie wel verdiend. Omdat ze zelden interacties aangaan met materie, zijn ze zeer moeilijk te detecteren. Elke tel worden de aarde en wijzelf doorzeefd met miljarden neutrino’s, waarvan er maar heel af en toe eentje botst op een proton of een neutron. De meeste neutrino’s die ons treffen (of net niet) zijn afkomstig van de zon. Om een goed beeld te krijgen van de ongrijpbaarheid van de deeltjes: een loden wand van een lichtjaar dik zou nog maar de helft van alle neutrino’s kunnen vangen die erop invallen. Van spooky behaviour gesproken.

Het imposante Sudbury Neutrino Observatory. (credit SNO)

Om de spookachtige deeltjes tóch te pakken, hebben fysici sinds de jaren 1960 (Raymond Davis was de eerste) grote ondergrondse detectoren gebouwd, meestal uitgerust met enorme bakken vloeistof. Over een periode van jaren hoopten ze zo toch enkele neutrino’s te betrappen. De Super-Kamiokande-detector in Japan is een van de grootste ter wereld. Het Sudbury Neutrino Observatory (SNO) in Canada, ondergebracht in een oude mijn in Ontario, is ook geen kleintje. Beide detectoren gaan al decennia mee. Van recentere datum is het IceCube Neutrino Observatory op Antarctica, dat het kilometersdikke Zuidpoolijs benut om naar neutrino’s te speuren.

Zonneneutrinoprobleem

Al in de jaren 1960 werd echter duidelijk dat er iets niet klopte met de drie neutrinosmaken zoals die in het standaardmodel waren vastgelegd. Zo kon Raymond Davis veel minder zonneneutrino’s vangen – die zijn allemaal van de smaak ‘elektron-neutrino’ – dan de theorie voorspelde. Het ‘neutrinodeficit’ werd daarna keer op keer bevestigd. De fysica worstelde jarenlang met een heus zonneneutrinoprobleem.

Een van de verklaringen waarom Davis in zijn chloortank veel minder zonneneutrino’s zag, was dat hij de andere smaken (muon en tau) gewoon niet kón detecteren. Theoretici hadden tegen die tijd al een mechanisme bedacht om die uitleg te staven en het neutrinodeficit te verklaren: de neutrino-oscillatie. In 1957 was Bruno Pontecorvo, een obscure Italiaan die nog voor Enrico Fermi had gewerkt en in 1950 na zijn ontmaskering als Sovjetspion naar de Sovjet-Unie was gevlucht, op de proppen gekomen met dat idee. Volgens Pontecorvo konden de drie neutrinosmaken tijdens hun acht minuten durende reis van de zon naar de aarde met elkaar van identiteit wisselen. Dat zou verklaren waarom Davis zo weinig elektron-neutrino’s aantrof: een groot deel had zich namelijk vermomd als muon- en tau-neutrino’s.

Experimentele bevestiging

De onderzoeksgroep van Takaaki Kajita speurde jarenlang met de Super-Kamiokande-detector naar neutrino’s afkomstig van kosmische straling. In 1998 publiceerde hij resultaten die er geen twijfel over lieten bestaan: de gevangen neutrino’s waren onderweg inderdaad van smaak veranderd. De groep van Arthur McDonald aan het Sudbury Observatory Laboratory legde in 2001 vergelijkbare resultaten voor, maar dan voor zonneneutrino’s. Ook die wisselden van identiteit dat het een lieve lust was.

Neutrino's zouden een deel van de mysterieuze donkere materie in het heelal kunnen vormen

Massa!

Dat neutrino-oscillaties voorkomen en neutrino’s dus van smaak veranderen, heeft een belangrijke implicatie. Het betekent immers dat het neutrino wel degelijk een massa heeft – weliswaar ontiegelijk klein. Lange tijd dachten fysici dat neutrino’s, net zoals fotonen, massaloos waren. Het feit dat neutrino’s massa hebben opent nieuwe perspectieven in de fysica. Zo zouden neutrino’s – omdat ze met zoveel zijn in het universum – een deel van de mysterieuze donkere materie kunnen vormen in het heelal. Ook kan het de weg wijzen naar nieuwe fysica voorbij het standaardmodel. ‘Het standaardmodel, dat zijn bekroning kreeg met de ontdekking drie jaar geleden van het Higgsdeeltje, heeft de neutrinomassa niet nodig’, zegt Dirk Ryckbosch, deeltjesfysicus en neutrino-expert aan de Universiteit Gent. ‘Het Higgsmechanisme is wellicht zelfs niet verantwoordelijk voor die massa, precies omdat ze zo klein is. We hebben hier te maken met een massa die meer dan een miljoen keer lichter is dan die van het elektron. Zowel de massa van normale deeltjes zoals elektronen en protonen als die van neutrino’s verklaren met eenzelfde mechanisme, is niet evident. Het is eigenlijk onmogelijk. Dus moet er een ander mechanisme zijn, dat we nog niet kennen.’
 

Wat vindt Ryckbosch trouwens van de twee laureaten? Verdienen ze hun onderscheiding? Of zouden ze die beter delen met hun onderzoeksteams? ‘Ik ken Kajita en McDonald niet persoonlijk, maar ik volg hun werk natuurlijk wel. Beiden hebben hun onderzoeksteams op cruciale momenten geleid. Ze hebben ervoor gezorgd dat de enorme detectoren effectief werden gebouwd (en gefinancierd) en dat ze dus jarenlang experimenten konden uitvoeren.’

Ryckbosch is ook zelf betrokken bij een aantal neutrino-experimenten, onder andere dat van het IceCube Neutrino Observatory op de Zuidpool. ‘Ook daar zien we geregeld neutrino-oscillaties opduiken. Maar het eigenlijk werk, dat nu is beloond met de Nobelprijs, is natuurlijk al twintig jaar geleden gedaan.’ Enkele maanden geleden liet IceCube wel een primeur optekenen: in het Zuidpoolijs werden voor het eerst kosmische neutrino’s gedetecteerd. Dat zijn hoogenergetisch neutrino’s afkomstig van supernova’s, zwarte gaten en andere explosieve gebeurtenissen in het universum.

Het neutrino-onderzoek zal deze eeuw trouwens onverminderd doorgaan. Nu bewezen is dat neutrino-oscillaties bestaan, zijn fysici druk op zoek naar een nog hypothetische, vierde neutrinosmaak: het steriele neutrino. Die speurtocht vindt onder meer plaats aan het Studiecentrum voor Kernenergie (SCK) in Mol, waar momenteel in de onderzoeksreactor BR2 een detector wordt gebouwd om het steriele neutrino te betrappen. Bij het experiment zijn Belgische, Franse en Britse fysici betrokken. Ook Dirk Ryckbosch werkt eraan mee. ‘Wij willen met onze detector neutrino-oscillaties bestuderen in een energie- en afstandsgebied dat verschilt van dat in de Super-Kamiokande en het SNO. Precies daar hopen we de oscillatie in een steriel neutrino te zien.’ Als dat steriele neutrino wordt gevonden, dan kan de vijfde neutrino-Nobelprijs best weleens een Belgisch tintje krijgen. 

De Nobelprijs-laureaten Kajita en McDonald. (credit Takaaki Kajita en Queen's University)