Drie smaken is beter dan één. Dat geldt voor bolletjes ijs en voor onderzoek naar supernova-explosies. Bij dit heftige einde van het leven van een zware ster komen drie ‘smaken’ neutrinodeeltjes vrij. Meestal beperkt onderzoek zich tot één van de drie. Hierdoor mist er informatie, schrijft een internationale onderzoeksgroep.
Zware sterren eindigen hun leven met een spectaculaire knal. Maar vlak voor de explosie, waarbij een enorme hoeveelheid licht en energie vrijkomt, vindt er een implosie plaats. Hierbij stort de kern van de ster in. De druk loopt daarbij zo ver op dat er kernreacties plaatsvinden die in gewone sterren niet mogelijk zijn. Bij deze kernreacties, en bij de reacties die plaatsvinden in de daaropvolgende explosie, straalt de ster grote hoeveelheden neutrino’s uit. Maar liefst 99 procent van de energie van de dode ster wordt tijdens een supernova omgezet in deze deeltjes.
Smaakkwestie
Neutrino’s zijn ongeladen subatomaire spookdeeltjes, die nauwelijks massa hebben. Omdat ze zelden een interactie aangaan met andere deeltjes, schieten ze met gemak door bijna alle vormen van materie heen. Dit maakt het detecteren van neutrino’s lastig. Neutrinodetectoren bestaan daarom uit enorme hoeveelheden detectiemateriaal, in de hoop dat er heel af en toe een neutrino in botst, wat een meetbaar lichtflitsje oplevert.
De spookdeeltjes bestaat in drie smaken: elektron-, muon- en tauneutrino’s. Bij de kernprocessen in de zon en andere sterren ontstaan vooral elektronneutrino’s. ‘Een supernova is een van de zeldzame momenten waar neutrino’s van alle drie de smaken op natuurlijke wijze worden geproduceerd’, mailt natuurkundige Sovan Chakraborty van de Indian Institute of Technology. De neutrino’s ontstaan in verschillende fases van de supernova, waarbij de elektronneutrino’s meestal overheersen. De verhouding tussen de drie neutrinosmaken verschilt per fase en is afhankelijk van de (kern)processen die dan plaatsvinden.
Versimpelingen
De meeste onderzoekers kijken enkel naar elektronneutrino’s omdat de neutrinodetectoren op aarde deze het best kunnen meten. Verder versimpelen onderzoekers complexe, theoretische modellen, bijvoorbeeld door aan te nemen dat muon- en tauneutrino’s zich identiek gedragen. Tot voor kort leek het geen probleem om deze twee smaken op een hoop te gooien en vooral naar elektronneutrino’s te kijken. Maar recente supernova-simulaties laten nu een ander beeld zien. ‘Daaruit blijkt dat er een redelijke asymmetrie is’, zegt Chakraborty. Met andere woorden: muon- en taunneutrino’s verschillen wel degelijk.
Met name op plekken waar de neutrinodichtheid hoog is, zoals in de ineenstortende kern bij een supernova, wordt het daardoor ingewikkeld. Daar zitten de neutrino’s zo dicht op elkaar dat ze onderling interacties aangaan. Daardoor veranderen sommige deeltjes van smaak. Dat klinkt gek, maar neutrino’s veranderen regelmatig van smaak, ook als ze in hun uppie door het heelal vliegen. Deze smaakveranderingen – zogeheten neutrino-oscillaties – gaan sneller als ze met veel dicht op elkaar zitten.
Belangrijke smaken
Hoe deze snelle neutrino-oscillaties precies verlopen blijkt af te hangen van de neutrino-smaken die er zijn en van de omstandigheden. Dat betekent dat het verloop van een supernova beïnvloedt welke neutrino’s uitgestraald worden. En omgekeerd betekent het dat de neutrinosmaken die uitgestraald zijn, iets vertellen over de processen die plaatsvinden tijdens de supernova-explosie.
De onderzoekers hebben aangetoond dat je hierdoor een vertekend beeld krijgt van supernova-explosies als je alleen naar elektronneutrino’s kijkt. Ze hopen daarom dat hun publicatie ervoor zorgt dat anderen inzien dat ze alle drie de neutrino-smaken moeten bekijken, zodat we de complexe processen die plaatsvinden in de spectaculaire supernova’s beter leren begrijpen.