Voor de eerste keer hebben natuurkundigen neutrino’s van gedaante zien wisselen. De metingen kunnen een licht werpen op een onopgelost raadsel in de natuurkunde: de vraag waarom er meer materie dan antimaterie in het universum bestaat.
Japanse onderzoekers hebben van vorm veranderende neutrino’s gemeten. Dat is een knap staaltje werk, gezien neutrino’s vrijwel ongrijpbare elementaire deeltjes zijn. Ze zijn bijna massaloos en gaan zelden interacties aan met andere deeltjes. Daardoor kunnen neutrino’s moeiteloos door kilometersdikke rotslagen glippen.
De neutrino kent drie varianten: de elektron-neutrino, het muon-neutrino en het tau-neutrino. Elk van deze neutrinovarianten kan opeens veranderen in een andere variant. Het schommelen tussen de opties heet neutrino-oscillatie.
Natuurkundigen hebben verschillende pogingen gedaan om neutrino-oscillaties te meten. De meeste experimenten starten met een bepaald type neutrino’s. De wetenschappers kijken vervolgens hoeveel neutrino’s van dat variant zijn verdwenen tegen de tijd dat de deeltjes een detector bereiken. De ‘verdwenen’ neutrino’s, die dus in werkelijkheid van vorm zijn veranderd, verschijnen dan niet in de meetgegevens.
Neutrinoreis
Het T2K-experiment in Japan heeft nu voor het eerst juist de veranderde deeltjes in beeld gebracht. Het experiment creëert een bundel van muon-neutrino’s in de J-PARC-deeltjesversneller in Tokai, dichtbij de Japanse oostkust. De deeltjes leggen vervolgens een afstand van 295 kilometer af naar de Super-Kamiokande neutrino-detector in Kamioka, aan de westkust van het land. Daar bekijken de onderzoekers precies welke deeltjes arriveren.
In 2011 zag het team de eerste tekenen dat de deeltjes van gedaante waren veranderd, maar voordat de wetenschappers hun meting konden bevestigen, trof de grote aardbeving van 2011 het experiment. De aardbeving leidde tot een jarenlange vertraging.
Maar nu is het dan zo ver – met vier keer zoveel data als voorheen kan T2K met zekerheid bewijzen dat de neutrino’s een gedaanteverandering ondergingen. Van de bundel muon-neutriono’s die Tokai verliet, waren 28 deeltjes veranderd in elektron-neutrino’s tegen de tijd dat ze in Kamioka aankwamen. Als neutrino-oscillatie niet zou voorkomen, hadden de natuurkundigen bij aankomst minder dan 5 elektron-neutriono’s verwacht.
Kosmisch raadsel
De vondst zou een van de grootste mysteries van de natuurkunde kunnen oplossen. Volgens de standaardtheorieën heeft de oerknal evenveel materie als antimaterie gemaakt. Maar dat is niet wat natuurkundigen in het heelal zien. Het universum bevat veel in werkelijkheid veel meer materie dan antimaterie.
Nu de natuurkundigen de gedaanteveranderingen van materie-neutrino’s hebben gezien, kunnen ze het T2K-experiment herhalen met een bundel van anti-muon-neutrino’s. Subtiele verschillen in de manier waarop neutrino’s en anti-neutrino’s oscilleren kunnen onthullen waarom in het vroege heelal meer materie dan antimaterie ontstond. ‘Dit resultaat was pas een eerste stap, maar het bewijst dat we ons doel zullen bereiken’, zegt T2K-onderzoeker David Wark.
Dit bericht is gebaseerd op een nieuwsbericht van newscientist.com.