Elke seconde van elke dag word je gebombardeerd door biljoenen en biljoenen subatomaire deeltjes, die vanuit de diepte van de ruimte naar beneden stromen. Ze blazen door je heen met de kracht van een kosmische orkaan, die met bijna de lichtsnelheid binnenstormt. Ze komen van over de hele hemel, op elk moment van de dag en nacht. Ze doordringen het magnetische veld van de aarde en onze beschermende atmosfeer als zoveel boter.
En toch is het haar bovenop je hoofd niet eens gegolfd.
Wat is er aan de hand?
Kleine neutrale
Deze kleine kogeltjes worden neutrino's genoemd, een term die in 1934 werd bedacht door de briljante natuurkundige Enrico Fermi. Het woord is vaag Italiaans voor "kleine neutrale", en hun bestaan zou een zeer merkwaardige atoomreactie verklaren.
Soms voelen elementen een beetje ... onstabiel aan. En als ze te lang met rust worden gelaten, vallen ze uit elkaar en transformeren ze zichzelf in iets anders, iets lichters op het periodiek systeem. Bovendien zou er een klein elektron tevoorschijn komen. Maar in de jaren twintig ontdekten zorgvuldige en gedetailleerde waarnemingen van die verval kleine, kleine verschillen. De totale energie aan het begin van het proces was een klein beetje groter dan de energie die naar buiten kwam. De wiskunde klopte niet. Vreemd.
Dus verzonnen een paar natuurkundigen een geheel nieuw deeltje uit een hele stof. Iets om de ontbrekende energie weg te voeren. Iets kleins, iets lichts, iets zonder kosten. Iets dat onopgemerkt door hun detectoren kan glippen.
Een kleine, neutrale. Een neutrino.
Het duurde nog een paar decennia om hun bestaan te bevestigen - zo glad en sluw zijn ze. Maar in 1956 sloten neutrino's zich aan bij de groeiende familie van bekende, gemeten, bevestigde deeltjes.
En toen werd het raar.
Favoriete smaak
De problemen begonnen te brouwen met de ontdekking van de muon, die toevallig rond dezelfde tijd plaatsvond toen het idee van neutrino terrein begon te winnen: de jaren dertig. De muon lijkt bijna precies op een elektron. Dezelfde lading. Dezelfde draai. Maar het is op een cruciale manier anders: het is zwaarder, meer dan 200 keer zo zwaar als zijn broer, het elektron.
Muons nemen deel aan hun eigen specifieke reacties, maar duren niet lang. Vanwege hun indrukwekkende omvang zijn ze erg onstabiel en vervallen ze snel in buien van kleinere stukjes ("snel" betekent hier binnen een microseconde of twee).
Dat is allemaal goed en wel, dus waarom komen muons in het neutrino-verhaal?
Natuurkundigen merkten op dat bij vervalreacties die het bestaan van de neutrino suggereerden altijd een elektron tevoorschijn kwam, en nooit een muon. Bij andere reacties springen er muonen uit en geen elektronen. Om deze bevindingen te verklaren, redeneerden ze dat neutrino's bij deze vervalsingsreacties altijd overeenkwamen met elektronen (en niet met elk ander soort neutrino), terwijl het muon moet worden gekoppeld aan een nog niet ontdekt type neutrino ... Het elektron is tenslotte het elektron -vriendelijke neutrino zou de waarnemingen van de muon-gebeurtenissen niet kunnen verklaren.
En zo ging de jacht door. En verder. En verder. Pas in 1962 kregen natuurkundigen eindelijk een slot op het tweede soort neutrino. Het werd oorspronkelijk de 'neutretto' genoemd, maar rationelere hoofden hadden de overhand bij het plan om het de muon-neutrino te noemen, omdat het zichzelf altijd combineerde in reacties met het muon.
De weg van de Tao
Oké, dus twee bevestigde neutrino's. Had de natuur meer voor ons in petto? In 1975 hebben onderzoekers van het Stanford Linear Accelerator Center dapper door bergen monotone gegevens gezeefd om het bestaan te onthullen van een nog zwaardere broer of zus voor het behendige elektron en het forse muon: de kolossale tau, die maar liefst 3.500 keer de massa van het elektron klokt . Dat is een groot deeltje!
Dus meteen werd de vraag: als er een familie van drie deeltjes is, het elektron, de muon en de tau ... zou er dan een derde neutrino kunnen zijn, om te paren met dit pas ontdekte wezen?
Misschien misschien niet. Misschien zijn er alleen de twee neutrino's. Misschien zijn het er vier. Misschien 17. De natuur heeft niet eerder aan onze verwachtingen voldaan, dus geen reden om nu te beginnen.
Natuurkundigen hebben in de afgelopen decennia veel gruwelijke details overgeslagen en hebben zichzelf er door middel van een verscheidenheid aan experimenten en waarnemingen van overtuigd dat er een derde neutrino zou moeten bestaan. Maar het was pas aan het einde van het millennium, in 2000, dat een specifiek ontworpen experiment bij Fermilab (humoristisch het DONUT-experiment genoemd, voor directe observatie van de NU Tau, en nee, ik verzin dat niet) eindelijk kreeg genoeg bevestigde waarnemingen om met recht een detectie te claimen.
De spoken achtervolgen
Dus waarom geven we zoveel om neutrino's? Waarom jagen we ze al meer dan 70 jaar na, van vóór de Tweede Wereldoorlog tot in de moderne tijd? Waarom zijn generaties wetenschappers zo gefascineerd door deze kleine, neutrale wetenschappers?
De reden is dat neutrino's buiten onze verwachtingen blijven leven. Lange tijd wisten we niet eens zeker of ze bestonden. Lange tijd waren we ervan overtuigd dat ze volledig massaloos waren, totdat experimenten irritant ontdekten dat ze massa moesten hebben. Precies "hoeveel" blijft een modern probleem. En neutrino's hebben deze vervelende gewoonte om van karakter te veranderen terwijl ze reizen. Dat klopt, aangezien een neutrino tijdens de vlucht reist, kan hij van masker wisselen tussen de drie smaken.
Misschien is er zelfs nog een extra neutrino die niet deelneemt aan de gebruikelijke interacties - iets dat bekend staat als de steriele neutrino, waar natuurkundigen hongerig naar jagen.
Met andere woorden, neutrino's dagen voortdurend alles uit wat we weten over natuurkunde. En als we iets nodig hebben, zowel in het verleden als in de toekomst, is het een goede uitdaging.
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.
