Neutrino’s zijn ongrijpbare subatomaire deeltjes die ontstaan in een groot aantal nucleaire processen. Hun naam, die “kleine neutrale” betekent, verwijst naar het feit dat ze geen elektrische lading dragen. Van de vier fundamentele krachten in het heelal hebben neutrino’s slechts met twee te maken – de zwaartekracht en de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor het radioactieve verval van atomen. Omdat ze bijna geen massa hebben, razen ze met bijna de snelheid van het licht door de kosmos
Ontelbare neutrino’s ontstonden een fractie van een seconde na de oerknal. En er ontstaan voortdurend nieuwe neutrino’s: in het kernhart van sterren, in deeltjesversnellers en atoomreactoren op aarde, tijdens de explosieve ineenstorting van supernova’s en bij het verval van radioactieve elementen. Dit betekent dat er gemiddeld 1 miljard keer meer neutrino’s dan protonen in het heelal zijn, volgens natuurkundige Karsten Heeger van Yale University in New Haven, Connecticut.
Ondanks hun alomtegenwoordigheid blijven neutrino’s grotendeels een mysterie voor natuurkundigen omdat de deeltjes zo moeilijk te vangen zijn. Neutrino’s stromen door de meeste materie alsof zij lichtstralen zijn die door een transparant venster gaan, nauwelijks interagerend met al het andere in het bestaan. Er gaan op dit moment ongeveer 100 miljard neutrino’s door elke vierkante centimeter van uw lichaam, maar u voelt er niets van.
Ontdekken van onzichtbare deeltjes
Neutrino’s werden voor het eerst gezien als het antwoord op een wetenschappelijk raadsel. Aan het eind van de 19e eeuw stonden onderzoekers voor een raadsel over een verschijnsel dat bekend staat als bètaverval, waarbij de kern in een atoom spontaan een elektron uitzendt. Bètaverval leek in strijd te zijn met twee fundamentele natuurkundige wetten: behoud van energie en behoud van momentum. Bij bètaverval leek de uiteindelijke configuratie van de deeltjes iets te weinig energie te hebben, en het proton bleef stilstaan in plaats van in de tegenovergestelde richting van het elektron te worden geslingerd. Pas in 1930 opperde de natuurkundige Wolfgang Pauli het idee dat er een extra deeltje uit de kern zou kunnen vliegen, dat de ontbrekende energie en momentum met zich mee zou dragen.
“Ik heb iets verschrikkelijks gedaan. Ik heb een deeltje gepostuleerd dat niet kan worden gedetecteerd,” zei Pauli tegen een vriend, verwijzend naar het feit dat zijn hypothetische neutrino zo spookachtig was dat het nauwelijks met iets zou interageren en weinig tot geen massa zou hebben.
Meer dan een kwart eeuw later bouwden de natuurkundigen Clyde Cowan en Frederick Reines een neutrino-detector en plaatsten die buiten de kernreactor van de atoomcentrale Savannah River in South Carolina. Hun experiment slaagde erin een paar van de honderden triljoenen neutrino’s op te vangen die uit de reactor vlogen, en Cowan en Reines stuurden Pauli trots een telegram om hem op de hoogte te stellen van hun bevestiging. Reines zou in 1995 de Nobelprijs voor Natuurkunde winnen – Cowan was toen al overleden.
Maar sindsdien hebben neutrino’s voortdurend de verwachtingen van wetenschappers getrotseerd.
De zon produceert kolossale aantallen neutrino’s die de aarde bestoken. In het midden van de 20e eeuw bouwden onderzoekers detectoren om naar deze neutrino’s te zoeken, maar hun experimenten bleven een discrepantie vertonen, waarbij slechts ongeveer een derde van de voorspelde neutrino’s werd gedetecteerd. Ofwel was er iets mis met de modellen van de zon, ofwel was er iets vreemds aan de hand.
Fysici realiseerden zich uiteindelijk dat neutrino’s waarschijnlijk in drie verschillende smaken, of typen, bestaan. De gewone neutrino wordt elektron-neutrino genoemd, maar er bestaan ook twee andere soorten: een muon-neutrino en een tau-neutrino. Terwijl zij over de afstand tussen de zon en onze planeet bewegen, schommelen de neutrino’s tussen deze drie soorten, en dat is de reden waarom die vroege experimenten – die slechts waren ontworpen om naar één smaak te zoeken – tweederde van hun totale aantal bleven missen.
Maar alleen deeltjes die massa hebben kunnen deze schommeling ondergaan, hetgeen in tegenspraak is met eerdere ideeën dat neutrino’s massaloos zijn. Hoewel wetenschappers nog steeds niet de exacte massa’s van alle drie de neutrino’s kennen, is uit experimenten gebleken dat de zwaarste van de drie minstens 0,0000059 keer kleiner moet zijn dan de massa van het elektron.
Nieuwe regels voor neutrino’s?
In 2011 veroorzaakten onderzoekers van het Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) experiment in Italië een wereldwijde sensatie door aan te kondigen dat ze neutrino’s hadden ontdekt die sneller reizen dan de lichtsnelheid – een zogenaamd onmogelijke onderneming. Hoewel er in de media veel aandacht aan werd besteed, werden de resultaten met veel scepsis ontvangen door de wetenschappelijke gemeenschap. Minder dan een jaar later realiseerden natuurkundigen zich dat defecte bedrading een sneller-dan-licht bevinding had nagebootst, en neutrino’s keerden terug naar het rijk van kosmisch gezagsgetrouwe deeltjes.
Maar wetenschappers hebben nog steeds veel te leren over neutrino’s. Onlangs hebben onderzoekers van het Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) van het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) bij Chicago overtuigend bewijs geleverd dat zij een nieuw type neutrino hebben ontdekt, dat een steriel neutrino wordt genoemd. Deze vondst bevestigt een eerdere anomalie die werd waargenomen in de Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), een experiment in het Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Steriele neutrino’s zouden de hele bekende natuurkunde op zijn kop zetten, omdat ze niet passen in het zogenaamde Standaard Model, een raamwerk dat bijna alle bekende deeltjes en krachten behalve de zwaartekracht verklaart.
Als de nieuwe resultaten van MiniBooNE standhouden, “zou dat enorm zijn; dat gaat verder dan het Standaard Model; dat zou nieuwe deeltjes vereisen … en een geheel nieuw analytisch raamwerk,” vertelde deeltjesfysicus Kate Scholberg van Duke University aan Live Science.