Skip to content
Home » Waarom tellen neutrino’s niet op?

Waarom tellen neutrino’s niet op?

    Illustration of a scientist holding a bunch of balloons, one of which is different from the others

    Van alle bekende elementaire deeltjes bezorgen neutrino’s natuurkundigen waarschijnlijk de meeste hoofdpijn.

    Deze kleine fundamentele stukjes materie zijn het op één na meest voorkomende deeltje in het universum, maar zijn allesbehalve gewoon. Sinds hun ontdekking hebben ze wetenschappers beschimpt met bizar gedrag, waarvan sommige natuurkundigen nog moeten begrijpen.

    Een bron van verwarring is opgedoken in de resultaten van neutrino-experimenten op korte afstand, waarbij neutrino’s worden gemeten nadat ze ergens tussen een paar meter en een kilometer zijn gereisd. Wanneer wetenschappers neutrino’s meten in deze experimenten, komen de resultaten niet altijd overeen met hun voorspellingen. Soms zijn er te veel van bepaalde soorten neutrino’s, terwijl er in andere te weinig zijn.

    Deze mismatch tussen experimenten en voorspellingen heeft een heel deelgebied geopend in de studie van neutrino’s sinds het voor het eerst werd geïdentificeerd in de vroege jaren 2000.

    Hoewel het antwoord op het mysterie natuurkundigen een beter begrip van neutrino’s zou kunnen geven, zou het ook nieuwe inzichten kunnen opleveren in de fundamentele werking van het universum.

    Donkere neutrino-animatie

    Kunstwerk door Sandbox Studio, Chicago met Ariel Davis

    Anomalieën op korte basislijn

    De kern van de mistellingen op korte afstand zijn zogenaamde korte-baseline-neutrino-experimenten. Dergelijke experimenten hebben meestal een goed begrepen bron of een bundel neutrino’s op één locatie en, op enige afstand, een detector die een of meer van de drie verschillende bekende soorten neutrino’s kan identificeren – elektronenneutrino, muon-neutrino en tau-neutrino. Deze experimenten kijken om te zien of wat in wisselwerking staat met de detector is wat wetenschappers verwachten, op basis van wat ze weten over de neutrino’s die uit de bron komen.

    Dit zou eenvoudig moeten zijn, maar in tegenstelling tot de meeste andere deeltjes, zijn neutrino’s vormveranderaars. In plaats van hun hele leven één ding te zijn, veranderen neutrino’s hun type – of ‘smaak’, zoals natuurkundigen zeggen – terwijl ze reizen. Vergelijkbaar met hoe fotonen als golven reizen maar als deeltjes interageren, reist elk neutrino als een probabilistische mix van de drie verschillende smaken. Alleen als het interageert, vestigt het zich op een enkele. Natuurkundigen noemen dit neutrino-oscillatie.

    “Een neutrinodeeltje heeft niet slechts één smaak, en de kans dat je het als een bepaalde smaak ziet, hangt af van de waarschijnlijkheid”, zegt Zara Bagdasarian, assistent-projectwetenschapper aan de University of California, Berkeley. “Het is in wezen een kwantumfenomeen.”

    Van de drie verschillende neutrino’s heeft elk een andere kans op interactie als elk van de drie smaken. Bovendien heeft elk een unieke massa, dus het reist met zijn eigen snelheid. Uiteindelijk betekent dit dat elke smaak een grotere kans heeft om op sommige afstanden te verschijnen dan andere. Het theoretische raamwerk dat neutrino-oscillaties beschrijft, vertelt natuurkundigen hoeveel neutrino’s van elke smaak op verschillende afstanden moeten verschijnen.

    Over lange afstanden hebben neutrino’s voldoende tijd om van smaak te veranderen – en dit wordt goed ondersteund door experimenten die neutrino’s bestuderen die vanaf de zon naar de aarde reizen en experimenten die neutrinostralen analyseren die halverwege een continent worden gestuurd. Over korte afstanden hebben neutrino’s niet zoveel tijd om te oscilleren en over te schakelen naar een andere smaak.

    Maar keer op keer lijken voorspellingen in deze korte-baseline-experimenten, inclusief experimenten bij bundellijnen en bij kernreactoren, verkeerd te zijn. In sommige experimenten verschijnen te veel elektronenneutrino’s, terwijl in andere te weinig verschijnen.Deze telmismatches worden korte-baseline-anomalieën genoemd.

    In de twee decennia sinds de anomalieën voor het eerst werden ontdekt, hebben wetenschappers verschillende gissingen gedaan over wat discrepanties zou kunnen veroorzaken. Om de verdiensten van deze ideeën te testen, werken ze aan verschillende lopende en komende experimenten.

    “Op dit moment is er een overvloed aan gissingen”, zegt Georgia Karagiorgi, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Columbia University. “Er is echter geen duidelijke beste gok, omdat geen enkel model alle anomalieën tegelijkertijd kan verklaren.”

    Geesten in de machine

    Een mogelijke verklaring voor afwijkingen op de korte basislijn zou kunnen zijn dat er iets mis is in de experimenten. Als er grote experimenten worden gebouwd, doen onderzoekers er jaren over om ervoor te zorgen dat ze eventuele onzekerheden uit het systeem kunnen verklaren, maar er is altijd een kans dat er iets over het hoofd wordt gezien.

    Dit is echter onwaarschijnlijk, zegt Karagiorgi. Als er maar één neutrino-experiment zou zijn dat deze anomalieën zou zien, zou het aannemelijk kunnen zijn dat het experiment zelf de schuld had. Maar de mistelling komt keer op keer naar voren in verschillende soorten experimenten.

    “Het is mogelijk dat we onze detectoren niet zo goed begrijpen als we denken”, zegt Karagiorgi. “Maar als je meerdere anomalieën in meerdere sectoren ziet verschijnen, begint het een beetje merkwaardig te worden.”

    De anomalieën kunnen ook te wijten zijn aan iets dat ontbreekt in het begrip van natuurkundigen over hoe de drie bekende neutrino’s normaal oscilleren of interageren met normale soorten materie, inclusief de materie waaruit deeltjesdetectoren bestaan. Als dit het geval zou zijn, zou het begrijpen van de anomalie kunnen helpen bij het verfijnen van het standaardmodel, het theoretische raamwerk dat de interacties van alle fundamentele deeltjes en krachten beschrijft. Het zou gaten kunnen opvullen in ons begrip van de neutrinofysica, zegt Pedro Machado, een theoretisch fysicus bij het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie.

    “Als je naar de gebeurtenissen kijkt, verschijnen anomalieën slechts in 0,3% van de tijd.” zegt Machado. “Dus zelfs een klein misverstand over neutrino-interacties of de achtergronden in de detector zou kunnen leiden tot de verklaring van de anomalie.”

    Hoewel er nog geen bevredigende verklaringen zijn voor wat er in het standaardmodel zou kunnen ontbreken om de anomalie toe te staan, onderzoeken natuurkundigen nog steeds nieuwe ideeën.

    Steriele neutrino’s

    Een andere verklaring voor de anomalieën is de invloed van een of meer aanvullende, nog niet-gedetecteerde typen neutrino’s. Deze neutrino’s zouden alleen interageren door zwaartekracht, niet door de zwakke kernkracht zoals andere neutrino’s doen, waardoor ze de naam ‘steriele neutrino’s’ kregen.

    Steriele neutrino’s zouden een vierde smaak toevoegen aan neutrino-oscillaties. Over korte afstanden zou deze extra oscillatie ervoor kunnen zorgen dat wat wetenschappers verwachtten een muon-neutrino te zijn, verschijnt als een elektronenneutrino, wat bijvoorbeeld verklaart waarom extra elektronenneutrino’s worden gezien in sommige korte-baseline-experimenten.

    Hoewel zware steriele neutrino’s zijn voorgesteld als kandidaat voor donkere materie, zou het type steriele neutrino dat korte-basislijnafwijkingen zou veroorzaken vrij licht zijn, met de massa van slechts een paar elektronvolts – dichter bij de kleine massa’s van de drie bekende typen van neutrino’s. Eenvoudige verklaringen suggereren dat er één type licht-steriel neutrino is, maar andere modellen suggereren dat er veel van zouden kunnen zijn.

    Onlangs is het MicroBooNE-experiment, een grote vloeistof-argondeeltjesdetector bij Fermilab, op zoek gegaan naar steriele neutrino’s, waarvan de handtekening zou worden onthuld door extra elektronen. Tot nu toe hebben ze geen bewijs gevonden voor een vierde neutrino. Hoewel de resultaten er niet veelbelovend uitzien voor steriele neutrino’s, hebben wetenschappers ze niet volledig uitgesloten, zegt Machado.

    “Ik zou graag meer gegevens willen zien”, zegt hij. “Dit is zo’n grote vraag dat ik denk dat we dit echt voor eens en voor altijd moeten uitsluiten om er zeker van te zijn dat er niet nog iets verborgen is. Als we het niet kunnen, dan weten we dat we op weg zijn naar iets groots.”

    Neutrino’s uit de duisternis

    Als steriele neutrino’s niet de schuld zijn, kunnen de anomalieën afkomstig zijn van een heel ander soort neutrino – een donkere neutrino.

    In tegenstelling tot steriele neutrino’s, die zouden toevoegen aan het drie-neutrino-raamwerk als een vierde neutrino-smaak, zouden de voorgestelde donkere neutrino’s helemaal een ander ras zijn. Donkere neutrino’s zouden deel uitmaken van wat bekend staat als de donkere sector, een gebied van de fysica dat zaken omvat als donkere energie, donkere materie en andere deeltjes die de interactie tussen de donkere sector en de alledaagse deeltjes die we kennen, bemiddelen.

    Aangezien neutrino’s nooit rechtstreeks in experimenten worden gezien – detectoren vangen alleen een elektron, muon of tau-deeltje op in de nasleep van de botsing van een neutrino met een atoomkern in het detectormateriaal – is het mogelijk dat donkere neutrino’s zich de hele tijd hebben voorgedaan als elektronenneutrino’s .

    In experimenten met een korte basislijn kunnen bundels van muonneutrino’s in botsing komen met andere deeltjes langs hun pad naar de detector. Het is mogelijk dat sommige van deze botsingen een donker neutrino kunnen creëren en een deeltje dat een ijkboson wordt genoemd. Het donkere neutrino zou onopgemerkt ontsnappen, maar het ijkboson zou kunnen vervallen in een elektron en een positronenpaar. In dit geval zou de overmaat aan elektron-positronparen, waarvan gedacht wordt dat ze op extra elektronneutrino’s wijzen, in plaats daarvan een teken kunnen zijn van een nieuw donker neutrino. Het is een van de vele ideeën die worden overwogen.

    De anomalieën oplossen

    Hoewel elk van deze oplossingen de afwijkingen die in bepaalde experimenten zijn waargenomen op bevredigende wijze kan verklaren, kan geen van hen de afwijkingen die in alle kleinschalige experimenten worden waargenomen volledig verklaren. Daarom zijn theoretische natuurkundigen nog steeds bezig met het bedenken van nieuwe ideeën en zijn experimentele natuurkundigen nog bezig met manieren om ze uit te testen.

    In de komende jaren zullen verschillende neutrino-experimenten specifiek kijken naar anomalieën op de korte basislijn. Experimenten zoals MicroBooNE zijn momenteel op zoek naar handtekeningen van lichtsteriele neutrino’s. Andere experimenten, zoals Fermilab’s volledige Short-Baseline Neutrino-programma en een Sterile Neutrino Search in het Japan Proton Accelerator Research Complex, zullen zoeken naar handtekeningen die onderscheid kunnen maken tussen steriele neutrino’s en andere exotische variëteiten, zoals donkere neutrino’s.

    “Dit zijn allemaal experimenten waarin de gemeenschap het afgelopen decennium heeft geïnvesteerd, en nu zien we ze eindelijk gebeuren”, zegt Karagiorgi. “De komende jaren worden heel spannend.”

    Met hun hoge precisie en geavanceerde technologie zullen deze experimenten ook andere mysteries over neutrino’s kunnen onderzoeken.

    Uiteindelijk zou het oplossen van de anomalieën op de korte basislijn nieuwe fysica kunnen onthullen.

    “Soms zijn het de kleinste discrepanties tussen onze theoretische inzichten en experimenten die een heel nieuw veld openen”, zegt Bagdasarian. “In veel opzichten is het mysterie van de neutrinofysica verweven met mysteries van het universum als geheel.”