Neutrino's, de spookdeeltjes uit de kosmos

Op elk moment van de dag worden wij gebombardeerd door neutrino's vanuit de kosmos. De meeste daarvan komen vanuit het binnenste van onze eigen zon. Binnen 10 minuten bereiken miljarden van deze deeltjes onze aarde en vliegen door alles en iedereen heen. Voelen doen wij dat overigens niet.

Boven: een neutrinodetector.

Wat zijn neutrino's?

Neutrino's zijn in feite onbegrijpelijke deeltjes. Ze zijn elektrisch neutraal, uiterst klein en hebben een zeer minieme massa. Het zijn aan de ene kant de meest voorkomende deeltjes in het heelal, maar aan de andere kant ook de meest vreemde. Natuurkundigen hebben er maar liefst 70 jaar over gedaan om de deeltjes te ontdekken en omschrijven. Ze worden ook wel 'spookdeeltjes' genoemd.

Neutrino's kunnen eigenlijk overal ontstaan uit het verval van radioactieve atomen en worden en masse geproduceerd in exploderende sterren en botsende zwarte gaten.

Links: beelden van een supernova (1987).

Ze kunnen echter ook ontstaan in het binnenste van sterren of zonnen en zelfs in ons eigen lichaam. De meeste neutrino's in het heelal zijn als het ware fossiele overblijfselen van de oerknal en bewegen zich al meer dan dertien miljard jaar door de kosmos.

De neutrino: ongelooflijk klein en ongelooflijk licht

Grootte van een neutrino

Een neutrino is zo klein dat het letterlijk overal doorheen kan vliegen zonder veel kans om ergens tegenaan te botsen. En dat doen ze met een enorm hoge snelheid.

Ter vergelijking: we stellen ons simpelweg een atoom voor als een overdekt voetbalstadion. De atoomkern is dan een tennisbal in het midden van dit voetbalstadion. Erom heen cirkelen kleine vliegjes (de elektronen). Voor het gemak stellen we ons de neutrino voor als een stofdeeltje. De kans dat een door het voetbalstadion vliegend stofdeeltje de tennisbal raakt of zelfs één van de vliegjes is er wel, maar deze is uiterst gering. Neutrino's zijn dan ook vrijwel onsterfelijk.

Massa van een neutrino

De massa van de neutrino's is zo klein dat wetenschappers lange tijd hebben gedacht dat zij geen massa hadden. Inmiddels weet men beter. De neutrino is heel licht, maar heeft wel degelijk enig gewicht.

Ter vergelijking: tot een miljoen neutrino's wegen ongeveer evenveel als één elektron. Een elektron weegt echter bijna niets in vergelijking met een atoomkern. Omdat de kosmos echter vol met neutrino's zit, wegen ze allemaal bij elkaar meer dan alle gewone materie (zoals die waaruit wij bestaan) in diezelfde kosmos. Een duidelijke zaak van gewicht in aantallen.

De neutrino ontdekt bij radioactief bèta-verval

De neutrino is niet door observatie ontdekt, maar getheoretiseerd vanuit een berekening. De Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli (1900-1958) onderzocht – net als heel veel wetenschappers in de 20e eeuw – het nieuwe fenomeen radioactiviteit. Hierbij was een vorm van verval ontdekt waarbij een neutron uiteen viel in een proton en een elektron. Dit werd ook wel het bèta-verval genoemd.

Volgens de tot dan geldende natuurkundige wetten zouden deze proton en elektron steeds met dezelfde snelheid uit het neutron moeten opdoemen en steeds langs dezelfde rechte lijn van elkaar moeten wegschieten.

Maar niets van dat al! Ze schoten onder allerlei vreemde hoeken van elkaar weg en leken in het niets te verdwijnen. Hoe kon dit?!

Als er één ding is dat voor natuurkundigen vaststaat, is het dat energie nooit verloren gaat, maar zich altijd in een andere vorm manifesteert.

Volgens Pauli kon dit vreemde verschijnsel maar één ding betekenen: deze schijnbare anomalie werd veroorzaakt door een tot dan onbekend deeltje. Dit deeltje zou de schijnbaar verdwijnende energie als het ware wegdragen.

Bèta-verval waarbij een neutron uiteenvalt in een proton en een elektron. Omdat de totale energie in het systeem hetzelfde moet blijven, berekenden Pauli en Fermi dat tegelijkertijd ook een neutrino (Ve met het streepje boven de V) moet zijn uitgestoten.

Ook de Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi (1901-1954), kwam tot dezelfde conclusie; hij was het die dit onbekende deeltje benoemde als een 'neutrino'.

Als verklaring waarom niemand dit derde deeltje in het bèta-verval ooit eerder had ontdekt, verklaarde Pauli dat het geen lading of massa kon bezitten en daarom zelden met een andere materie zou reageren. Verder ging hij er vanuit dat het deeltje alleen door postulatie ofwel berekening en niet in het echt zou kunnen worden aangetoond. Pauli ontving in 1945 de Nobelprijs voor zijn werk omtrent bèta-verval in radioactiviteit.

Neutrinodetectoren

Een deeltje waarvan het bestaan door berekening wel is bewezen, maar dat niet kan worden aangetoond, was natuurlijk een gruwel voor de wetenschappelijke wereld. Al moest de onderste steen boven, maar men moest op enig moment toch iets kunnen ontwerpen of verzinnen waarmee de neutrino zichtbaar kon worden gemaakt.

Het heeft even geduurd, maar inmiddels is Pauli's ongelijk bewezen. Neutrino's kunnen wel degelijk worden gedetecteerd bijvoorbeeld in kleine aantallen in grote chloortanks. Tegenwoordig worden neutrino's op grote schaal in de gaten gehouden via een aantal enorme detectoren.

In Canada bevindt zich bijvoorbeeld 2 kilometer onder de grond het Sudbury Neutrino Observatory (SNO).

Men heeft hier een 12 meter dikke bol vol met zwaar water en omgeven door lichtdetectoren. Hiermee kan men het bestaan van neutrino's aantonen.

In de Middellandse Zee ten zuiden van het Franse Toulon bevindt zich een andere neutrinodetector. Ongeveer 2,5 kilometer onder de zeespiegel staat daar de Antares Telescoop die eveneens in staat is de neutrino's te vangen en te laten zien.

Links: grafische voorstelling van de Antares Telescoop.

De reden van de bouw van deze diep onder de grond of onder water liggende detectoren is overigens om storende effecten en/of andere kosmische deeltjes zoveel mogelijk te weren.

Door neutrino's meer kennis van de zon

Dankzij de neutrinodetectoren wordt er thans door wetenschappers op een heel andere manier naar niet alleen de kosmos, maar vooral naar onze zon gekeken. Vanuit de zon stromen voor ons op aarde tenslotte de meest neutrino's onze kant op. Wat dat eventueel te betekenen heeft of kan hebben voor ons op aarde of wat het zegt over de processen in de zon is daarom bijzonder interessant. Zoals de Amerikaanse natuurkundige Raymond Davis (1914-2006) zei tijdens zijn Nobelprijs-speech in 2002:

"Met röntgenstralen, die veel dieper doordringen dan gewone lichtstralen, kun je in het binnenste van je hand kijken. Met neutrino's, die zelfs nog dieper dan röntgenstralen doordringen, kun je in het binnenste van de zon kijken".

Voor meer informatie, zie bijvoorbeeld ook: over neutrino's of over radioactiviteit.

Of: Wetenswaardigheden-over-de-Zon