30-jarig
natuurkundig raadsel eindelijk opgelost
Vermiste
zonneneutrino’s opgespoord - 19-06-2001
In
1968 berekende de astrofysicus John Bahcall dat elke vierkante centimeter
per seconde door miljoenen neutrino’s, afgevuurd door de zon, doorzeefd
wordt. Maar in elk experiment dat deze bewering wilde nagaan, moest
worden vastgesteld dat er schijnbaar veel minder zonneneutrino’s waren
dan voorspeld. 30 jaar lang vroegen wetenschappers zich af hoe deze
discrepantie verklaard kon worden. Een internationaal team trok zich
2 kilometer onder het aardoppervlak terug, en kwam gisteren weer tevoorschijn,
mét een antwoord op het raadsel...
Vluchtige
deeltjes
De laatste eeuw is duidelijk geworden dat de werkelijkheid is opgebouwd
uit de meest vreemde en exotische deeltjes. Er wordt gegoocheld met
electronen, muonen, leptonen, quarks, fotonen om het allerkleinste
niveau van de natuur te beschrijven. Eén van de minst begrepen deeltjes
zijn neutrino’s,
een fundamenteel deeltje dat erg gelijkt op het electron, zij het
dat neutrino’s geen elektrische lading hebben. Daardoor worden zij
niet beďnvloed door de elektromagnetische kracht die wel op electronen
inwerkt.
Het bestaan van neutrino’s werd, zoals dat in de natuurkunde wel vaker
het geval is, eerst voorspeld door theorieën en modellen. Wolfgang
Pauli kwam er in 1931 als eerste mee op de proppen en drie jaar later
werd het neutrino door Enrico Fermi in een omvattende verklaring voor
radioactief verval ingepast. In 1959 sloegen Clyde Cowan en Fred Reines
erin het eerste neutrino te detecteren, waardoor voor het eerst werd
aangetoond dat deze deeltjes ook werkelijk bestaan. De jaren nadien
kwam men erachter dat er drie verschillende soorten neutrino’s bestaan,
die zich niet allemaal op dezelfde manier gedragen. Elk type neutrino
is verbonden met een geladen deeltje, waaraan het ook zijn naam ontleent:
electron-neutrino’s, muon-neutrino’s en tau-neutrino’s.
Neutrino’s zijn overal, maar niets of niemand zou er ooit wat van
merken. Ze zijn dan ook verschrikkelijk moeilijk op te sporen: zonder
elektrische lading en bijna massaloos interageren ze nagenoeg niet
met andere deeltjes. Elke seconde gaan miljoenen neutrino’s door ons
heen, maar gedurende een heel mensenleven zullen slechts één of twee
tijdens die tocht afgebogen worden.
Waar
zijn de zonneneutrino’s?
Ook al zijn ze moeilijk waar te nemen, toch is het universum werkelijk
vergeven van de neutrino’s. De zon produceert er elke seconde al tweehonderd
triljoen triljoen triljoen, en bij een gemiddelde supernova komen
er duizend keer meer vrij dan de zon in haar hele leven zal produceren.
Dat men redelijk accuraat kan vertellen hoeveel neutrino’s de zon
de ruimte inslingert, danken we aan het standaard zonnemodel, een
theoretische beschrijving van de
werking van de zon. Toen men met neutrinodetectoren op zoek ging
naar deze deeltjes, vond men wel zonneneutrino’s, maar het leken er
veel te weinig te zijn. In vergelijking met de energie die de zon
produceert, leek de stroom zonneneutrino’s veel te klein. Deze vaststelling
deed men in de jaren ‘70, en tot nu wist niemand waar de vermiste
zonnenuetrino’s zouden kunnen zijn.
Het raadsel kreeg een naam en werd van hoofdletters voorzien: het
Zonneneutrino Probleem was geboren. Men zocht verwoed naar oplossingen,
al bestonden in essentie slechts twee mogelijkheden: of er is wat
mis met het zonnemodel, of er gebeurt iets met de neutrino’s terwijl
ze onderweg zijn naar de aarde.
In 1998 startte een Amerikaans-Brits-Canadees team in het Canadese
Sudbury een nieuwe poging. Twee kilometer onder de grond, in een oude
mijn, was het Sudbury Neutrino
Observatory (SNO) pas voltooid.
De detecor bevat 1000 ton zwaar water, water waarbij de waterstofatomen
zijn vervangen door het waterstofisotoop deuterium en dat als D2O
wordt vertaald. Daarrond zit een container met ultra-schoon, normaal
water. Beide structuren zitten dan weer in een geodetische bol (foto),
waarin 9456 lichtsensoren zijn gestopt. De sensoren speuren voortdurend
naar minuscule lichtflitsen, die de aanwezigheid van neutrino’s verraden.
Met de indrukwekkende installatie slaagt het team erin per dag zo’n
tiental neutrino’s te betrappen. Dat gebeurt als een neutrino op één
van de deuterium-atomen knalt, waardoor het atoom uiteenvalt in een
proton en een neutron. Aangezien alleen electron-neutrino’s zo’n impact
hebben, en muon- of tau-neutrino’s geen deuteriumatomen te lijf kunnen
gaan, kunnen zonneneutrino’s worden opgespoord. De zon produceert
immers alleen electron-neutrino’s.
Het duurde eventjes voor voldoende gegevens werden verzameld om een
poging te doen het Zonneneutrino Probleem op te lossen. Gisteren,
maandag 18 juni, kwam het SNO-team naar buiten met de eerste wetenschappelijke
resultaten van de Sudbury detector én met de mededeling dat ze erin
geslaagd waren het 'Probleem' op te lossen.
Aanpassing
Standaardmodel noodzakelijk
De doorbraak kwam er nadat de resultaten van het SNO werden vergeleken
met vergelijkbare inspanningen van de natuurkundige collega’s die
betrokken waren bij het Japanse Super-Kamiokande
neutrinoexperiment. Daar speurde men voornamelijk naar botsingen tussen
electronen en electron-neutrino’s, maar af en toe botst ook een neutrino
van een andere soort wel eens tegen een electron, en ook dat werd
in Japan waargenomen.
Omdat de zon alleen electron-neutrino’s produceert en de andere soorten
enkel worden aangemaakt tijdens hoog-energetische gebeurtenissen -
zoals een supernova - zouden de waarnemingen van het SNO en de Super-Kamiokande
met elkaar moeten overeenstemmen. Is dat niet het geval, dan veranderen
de neutrino’s als ze onderweg zijn van de zon naar de aarde. En dat
was precies wat de onderzoekers vaststelden: in Japan werden meer
neutrino’s waargenomen.
Electron-neutrino’s veranderen dus, en dat is waarom ze zolang verborgen
bleven. Volgens de berekeningen van het SNO-team zou ongeveer 60%
van de zonneneutrino’s een transformatie ondergaan. Het Zonneneutrino
Probleem lijkt na 30 jaar eindelijk opgelost te zijn, toch als men
vrede wil nemen met een zekerheidsmarge van 99%.
Volgens de formules van de deeltjesfysica betekent het feit dat neutrino’s
van aard kunnen veranderen ook dat neutrino’s een bepaalde massa hebben.
Veel stelt dat niet voor: de massa van een neutrino zou maximaal één
60.000ste deel van de massa van een electron zijn. De gevolgen
van deze vaststelling zijn wat groter: het Standaardmodel
voor Elementaire Deeltjes voorspelt immers geen massa voor neutrino’s.
Niet dat het model daarom maar moet worden verlaten - het voldoet
immers al sinds de jaren ‘70 - maar een aanpassing zou wel noodzakelijk
zijn. En wie een geünificeerde theorie wil opstellen, zal ook met
deze nieuwe gegevens rekening moeten houden.
Tenslotte kan men zich afvragen of met de vaststelling dat neutrino’s
een massa hebben, het donkere materieprobleem ook de wereld uit geholpen
is. Hoe klein de massa ook is, er bestaan wel bijzonder veel neutrino’s,
misschien compenseert dat wat. Helaas, ondertussen werd al berekend
dat de massa van alle neutrino’s samen ongeveer even groot moet zijn
als de gecombineerde massa van alle sterren in het heelal. Niet kwaad,
maar evenmin voldoende om een verklaring te bieden voor alle vermiste
materie.
En ook zij die op zoek waren naar zonneneutrino’s moeten hun spullen
nog niet opbergen. Er blijven nog voldoende vragen over, zoals in
welke variant de electron-neutrino’s transformeren en of de neutrino’s
nieuwe inzichten bieden over wat er in het diepste centrum van de
zon allemaal gebeurt. Al zal men vast een flesje champagne gekraakt
hebben, vooraleer de 100 hoofden van het NSO-team zich over deze problemen
bogen.
(DdV)
Aansluitende artikels:
Het
geheim van materie doorgrond - 15-05-2001
Extra
dimensies laten zich niet vangen - 14-02-2001
Natuurkunde
op stelten - 09-02-2001
Related links:
Het
zonneneutrino-probleem
De
detector
Meer
over zonneneutrino’s
Hoe
de zon werkt
De
ultieme neutrino-pagina
Super-Kamiokande
©
David de Vaal
