Neutrino's zijn misschien wel de meest raadselachtige van de bekende deeltjes. Ze negeren simpelweg alle bekende regels over hoe deeltjes zich moeten gedragen. Ze spotten met onze mooie detectoren. Net als kosmische katten lopen ze door het universum zonder zorgen of zorgen, af en toe interactie met de rest van ons, maar eigenlijk alleen als ze daar zin in hebben, wat eerlijk gezegd niet zo vaak is.
Het meest frustrerende van alles is dat ze maskers dragen en er nooit twee keer hetzelfde uitzien.
Maar een nieuw experiment heeft ons misschien een stap dichter bij het afzetten van die maskers gebracht. Het onthullen van de echte neutrino-identiteit kan helpen bij het beantwoorden van al lang bestaande vragen, zoals of neutrino's hun eigen antimateriepartners zijn, en het kan zelfs helpen de krachten van de natuur te verenigen in één samenhangende theorie.
Een enorm probleem
Neutrino's zijn raar. Er zijn drie soorten: de elektronenneutrino, de muonneutrino en de tau-neutrino. (Er zijn ook de antideeltjesversies van die drie, maar dat is geen groot deel van dit verhaal.) Ze worden zo genoemd omdat deze drie soorten gaan feesten met drie verschillende soorten deeltjes. Elektronenneutrino's sluiten zich aan bij interacties met elektronen. Muon-neutrino's worden gecombineerd met muonen. Er worden geen punten toegekend voor het raden van de interactie van de tau neutrino.
Tot dusver is dat helemaal niet raar. Hier komt het vreemde deel.
Voor deeltjes die dat wel zijn niet neutrino's - zoals elektronen, muonen en tau-deeltjes - wat je ziet is wat je krijgt. Die deeltjes zijn allemaal precies hetzelfde, behalve hun massa. Als je een deeltje met de massa van een elektron ziet, gedraagt het zich precies zoals een elektron zich zou moeten gedragen, en hetzelfde geldt voor de muon en de tau. Bovendien zal het, zodra je een elektron ziet, altijd een elektron zijn. Niets meer niets minder. Hetzelfde geldt voor de muon en de tau.
Maar hetzelfde geldt niet voor hun neven, de elektron-, muon- en tau-neutrino's.
Wat we bijvoorbeeld de "tau-neutrino" noemen, is niet altijd de tau-neutrino. Het kan zijn identiteit veranderen. Het kan midden in de vlucht een elektron of muon-neutrino worden.
Dit vreemde fenomeen dat eigenlijk niemand verwachtte, wordt neutrino-oscillatie genoemd. Het betekent onder meer dat je een elektronenneutrino kunt maken en die als cadeau aan je beste vriend kunt sturen. Maar tegen de tijd dat ze het krijgen, zijn ze misschien teleurgesteld om in plaats daarvan een tau-neutrino te vinden.
Wip
Om technische redenen werkt de neutrino-oscillatie alleen als er drie neutrino's zijn met drie verschillende massa's. Maar de neutrino's die oscilleren zijn niet de neutrino's met elektron-, muon- en tau-smaak.
In plaats daarvan zijn er drie 'echte' neutrino's, elk met een andere, maar onbekende massa. Een duidelijke mix van deze echte, fundamentele neutrino's creëert elk van de neutrino-smaken die we in onze laboratoria detecteren (electron, muon, tau). De in het laboratorium gemeten massa is dus een mengsel van die echte neutrinomassa's. Ondertussen bepaalt de massa van elke echte neutrino in de mix hoe vaak het in elk van de verschillende smaken verandert.
De taak van natuurkundigen is nu om alle relaties te ontwarren: wat zijn de massa's van die echte neutrino's en hoe vermengen ze zich om de drie smaken te maken?
Dus, natuurkundigen zijn op jacht om de massa van de "echte" neutrino's te ontdekken door te kijken wanneer en hoe vaak ze van smaak veranderen. Nogmaals, het natuurkundejargon is erg onbehulpzaam om dit uit te leggen, aangezien de namen van deze drie neutrino's simpelweg m1, m2 en m3 zijn.
Een verscheidenheid aan nauwgezette experimenten hebben wetenschappers iets geleerd over de massa van de echte neutrino's, althans indirect. We kennen bijvoorbeeld enkele van de relaties tussen het kwadraat van de massa. Maar we weten niet precies hoeveel een van de echte neutrino's weegt, en we weten niet welke zwaarder zijn.
Het kan zijn dat m3 de zwaarste, veel zwaarder zijn dan m2 en m1. Dit wordt "normale ordening" genoemd omdat het vrij normaal lijkt - en het zijn de ordenende natuurkundigen die tientallen jaren geleden in wezen werden geraden. Maar op basis van onze huidige kennis zou het ook kunnen dat m2 de zwaarste neutrino is, met m1 niet ver achter en m3 nietig in vergelijking. Dit scenario wordt 'omgekeerde volgorde' genoemd, omdat dit betekent dat we in eerste instantie de verkeerde volgorde hebben geraden.
Natuurlijk zijn er kampen van theoretici die smachten naar elk van deze scenario's om waar te zijn. Theorieën die alle (of in ieder geval de meeste) natuurkrachten onder één dak proberen te verenigen, vragen doorgaans om een normale neutrino-massa-ordening. Aan de andere kant is de volgorde van de omgekeerde massa noodzakelijk om de neutrino zijn eigen antideeltje-tweeling te laten zijn. En als dat waar was, zou het kunnen helpen verklaren waarom er meer materie dan antimaterie in het universum is.
DeepCore-training
Wat is het: normaal of omgekeerd? Dat is een van de grootste vragen die naar voren zijn gekomen uit de afgelopen decennia van neutrino-onderzoek, en het is precies het soort vraag dat het enorme IceCube Neutrino-observatorium is ontworpen om te beantwoorden. Het observatorium, gelegen op de zuidpool, bestaat uit tientallen reeksen detectoren die in de Antarctische ijskap zijn gezonken, met een centrale "DeepCore" van acht reeksen efficiëntere detectoren die interacties met een lager energieverbruik kunnen waarnemen.
Neutrino's praten nauwelijks met normale materie, dus ze zijn perfect in staat om dwars door het lichaam van de aarde zelf te jagen. En terwijl ze dat doen, zullen ze veranderen in de verschillende smaken. Af en toe zullen ze een molecuul in de Antarctische ijskap nabij de IceCube-detector raken, wat een trapsgewijze regenbui van deeltjes veroorzaakt die een verrassend blauw licht uitzenden dat Cherenkov-straling wordt genoemd. Dit licht detecteren de IceCube-snaren.
In een recent artikel dat is gepubliceerd in het voorgedrukte tijdschrift arXiv, gebruikten IceCube-wetenschappers drie jaar DeepCore-gegevens om te meten hoeveel van elke soort neutrino door de aarde ging. De vooruitgang is natuurlijk traag, omdat neutrino's zo moeilijk te vangen zijn. Maar in dit werk. de wetenschappers rapporteren een lichte voorkeur in de gegevens voor normale ordening (wat zou betekenen dat we decennia geleden goed geraden hadden). Ze hebben echter nog niets te overtuigend gevonden.
Is dit alles wat we krijgen? Zeker niet. IceCube bereidt zich binnenkort voor op een grote upgrade en nieuwe experimenten zoals de Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) en Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) bereiden zich voor op deze centrale vraag. Wie wist dat zo'n simpele vraag over de ordening van neutrinomassa's zoveel zou onthullen hoe het universum werkt? Het is jammer dat het ook geen gemakkelijke vraag is.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een Spaceman" en "Space Radio, "en auteur van"Jouw plaats in het universum."
