Waarom bevat het heelal stralende sterren, bijzondere planeten en wolken gas in plaats van een oneindige leegte? Het antwoord op die vraag is misschien een stap dichterbij dankzij metingen van een Japans neutrino-experiment. Daar is het sterkste bewijs tot nu toe geleverd dat er verschillen zijn tussen neutrino’s en antineutrino’s.
Antineutrino’s zijn de antimateriële tegenhangers van de materiedeeltjes genaamd neutrino’s. Voor alle soorten materiedeeltjes bestaat er zo’n spiegelbeeld. Het elektron heeft bijvoorbeeld het positron (anti-elektron) dat bijna identiek is, maar een tegengestelde lading heeft: positief in plaats van negatief.
In het huidige heelal is bijna geen antimaterie te vinden. Alles om ons heen bestaat uit materie, van sterren en planeten tot appels en tafels. Het gedragsverschil dat nu gemeten is bij neutrino’s, de meeste ongrijpbare van alle deeltjes, kan mogelijk verklaren waar dat gebrek aan antimaterie door komt.
Spookachtige neutrino’s
Neutrino’s zijn minieme, vluchtige deeltjes die onder andere ontstaan bij kernreacties in de zon en in kernreactoren op aarde. Ze zijn talrijk, maar ongrijpbaar; per seconde razen er alleen al 100 miljard door je duim, zonder dat je daar iets van merkt. Deze spookdeeltjes komen in drie gedaantes: elektron-, muon- en tauneutrino’s. Elk heeft een antimateriële tegenhanger: het elektron-antineutrino, het muon-antineutrino en het tau-antineutrino.
En neutrino’s blijken van gedaante te kunnen veranderen. Zo kunnen muonneutrino’s veranderen in elektron- en tauneutrino’s en terug. Die bijzondere eigenschap onderzochten de wetenschappers achter het Japanse T2K-experiment.
De fysici produceerden in het deeltjesversnellerinstituut J-PARC afwisselend bundels muonneutrino’s en muon-antineutrino’s. Die vlogen vervolgens 296 kilometer door de aarde naar de Super-Kamiokande-detector. Dat is een tank met 50.000 ton extreem zuiver water. Heel af en toe heeft een neutrino een wisselwerking met een van de watermoleculen waarbij een zwak lichtflitsje vrijkomt. Duizenden lichtdetectoren leggen die zeldzame flitsjes vast.
Verschillende veranderingen
Zo maten de fysici hoeveel en welke soort neutrino’s er in Super-Kamiokande aankwamen. Door te analyseren hoeveel muonneutrino’s, elektronneutrino’s en antimateriële tegenhangers daarvan er arriveerden, konden ze achterhalen hoe vaak de muon-(anti)neutrinobundels onderweg van gedaante waren veranderd. Het lijkt er daarbij op dat neutrino’s dit iets vaker doen dan antineutrino’s. Bij de spookdeeltjes zijn materie en antimaterie dus niet elkaars perfecte spiegelbeeld.
‘Het is een heel mooi resultaat’, zegt fysicus Patrick Decowski van onderzoekersinstituut Nikhef, die niet direct betrokken was bij het onderzoek. ‘Beetje bij beetje krijgen we steeds meer grip op de gedaanteveranderingen van neutrino’s.’
Leeg heelal
Dit verschil in gedrag kan misschien leiden naar een verklaring voor de onbalans tussen materie en antimaterie in het heelal. De meeste fysici nemen namelijk aan dat er in het heel vroege heelal evenveel materie als antimaterie was. En aangezien een deeltje en een antideeltje elkaar vernietigen als ze elkaar ontmoeten, zou je dan na verloop van tijd een leeg heelal verwachten, in plaats van een heelal gevuld met materie.
Als materie en antimaterie zich net anders gedragen, verklaart dat misschien hoe er net iets meer materie kon ontstaan dan antimaterie. En dat kleine overschot aan materie vult dan nu het heelal met sterren, planeten enzovoort.
Fysici zoeken daarom al decennia naar zulke verschillen. Ongeveer vijftig jaar geleden werden die gevonden bij quarks, de bouwsteentjes waaruit protonen en neutronen in atoomkernen bestaan, en antiquarks. ‘Maar het gedragsverschil bij quarks is te klein om het gebrek aan antimaterie te verklaren’, vertelt Decowski. ‘Er moet dus meer aan de hand zijn.’
Een op een miljoen
Neutrino’s kunnen dit gat misschien vullen. Misschien, want de T2K-resultaten laten nog ruimte voor andere oplossingen. Zo zijn de metingen niet nauwkeurig genoeg om er helemaal zeker van te kunnen zijn. Er is een kans van een op 370 dat het gemeten verschil een toevallige, statistische fluctuatie is. Dat lijkt erg onwaarschijnlijk, maar fysici spreken pas van een ontdekking als de kans een op een miljoen is.
‘Die nauwkeurigheid gaan we waarschijnlijk pas halen met de volgende neutrino-experimenten’, zegt Decowski. Er zijn nu twee experimenten in aanbouw die vergelijkbaar zijn met T2K: Hyper-Kamiokande, de opvolger van Super-Kamiokande, en DUNE, dat in de VS komt.
‘Realistisch blijven’
Zelfs als daarmee onomstotelijk een verschil in gedaanteverwisseling wordt aangetoond, dan nog zijn sommige fysici er niet van overtuigd dat hiermee ook te verklaren is waarom het heelal niet leeg is. ‘Het gemeten verschil zegt niet direct iets over de materie-antimaterie-verhouding in het heelal’, mailen theoretisch fysici Jordy de Vries en Marieke Postma. ‘Om die verhouding te verklaren, zijn er meerdere ingrediënten nodig, waarvan het gemeten verschil er een kan zijn.’
‘Maar dat wil absoluut niet zeggen dat de meting onbelangrijk is’, vervolgens ze. ‘Integendeel. Het is een spectaculair resultaat. Maar we moeten wel realistisch blijven.’
