We zijn overspoeld met neutrino's. Ze behoren tot de lichtste van de twee dozijn of zo bekende subatomaire deeltjes en ze komen uit alle richtingen: van de oerknal die het universum begon, van exploderende sterren en vooral van de zon. Ze komen dwars door de aarde met bijna de snelheid van het licht, altijd, dag en nacht, in enorme aantallen. Elke seconde passeren ongeveer 100 biljoen neutrino's ons lichaam.
gerelateerde inhoud
- Strange Portals in Physics openen
Het probleem voor natuurkundigen is dat neutrino's onmogelijk te zien en moeilijk te detecteren zijn. Elk instrument dat hiervoor is ontworpen, kan solide aanvoelen, maar voor neutrino's is zelfs roestvrij staal meestal lege ruimte, zo wijd open als een zonnestelsel voor een komeet. Bovendien hebben neutrino's, in tegenstelling tot de meeste subatomaire deeltjes, geen elektrische lading - ze zijn neutraal, vandaar de naam - dus wetenschappers kunnen geen elektrische of magnetische krachten gebruiken om ze op te vangen. Natuurkundigen noemen ze 'spookdeeltjes'.
Om deze ongrijpbare entiteiten te vangen, hebben natuurkundigen een aantal buitengewoon ambitieuze experimenten uitgevoerd. Zodat neutrino's niet worden verward met kosmische stralen (subatomaire deeltjes uit de ruimte die niet in de aarde doordringen), worden detectoren diep onder de grond geïnstalleerd. Enorme zijn geplaatst in goud- en nikkelmijnen, in tunnels onder bergen, in de oceaan en in Antarctisch ijs. Deze vreemd mooie apparaten zijn monumenten voor de vastberadenheid van de mensheid om over het universum te leren.
Het is onduidelijk welke praktische toepassingen zullen voortvloeien uit het bestuderen van neutrino's. "We weten niet waar het naartoe gaat", zegt Boris Kayser, een theoretisch fysicus bij Fermilab in Batavia, Illinois.
Natuurkundigen bestuderen neutrino's gedeeltelijk omdat neutrino's zulke vreemde karakters zijn: ze lijken de regels te overtreden die de natuur het meest fundamenteel beschrijven. En als natuurkundigen ooit hun hoop zullen vervullen om een coherente realiteitstheorie te ontwikkelen die de basis van de natuur zonder uitzondering verklaart, zullen ze verantwoording moeten afleggen over het gedrag van neutrino's.
Bovendien intrigeren neutrino's wetenschappers omdat de deeltjes boodschappers uit de buitengebieden van het universum zijn, gecreëerd door gewelddadig exploderende sterrenstelsels en andere mysterieuze fenomenen. "Neutrinos kunnen ons misschien dingen vertellen die de meer alledaagse deeltjes niet kunnen, " zegt Kayser.
Natuurkundigen bedachten neutrino's lang voordat ze er ooit iets vonden. In 1930 creëerden ze het concept om een vergelijking in evenwicht te brengen die niet klopte. Wanneer de kern van een radioactief atoom desintegreert, moet de energie van de deeltjes die het uitzendt gelijk zijn aan de energie die het oorspronkelijk bevatte. Maar in feite merkten wetenschappers op dat de kern meer energie verloor dan detectoren oppikten. Dus om die extra energie te verklaren, bedacht de natuurkundige Wolfgang Pauli een extra, onzichtbaar deeltje dat door de kern werd uitgezonden. "Ik heb vandaag iets heel ergs gedaan door een deeltje voor te stellen dat niet kan worden gedetecteerd, " schreef Pauli in zijn dagboek. "Het is iets dat geen theoreticus ooit zou moeten doen."
Experimentalisten begonnen er toch naar te zoeken. In een kernwapenlaboratorium in Zuid-Carolina, halverwege de jaren vijftig, plaatsten ze twee grote watertanks buiten een kernreactor die volgens hun vergelijkingen tien biljoen neutrino's per seconde hadden moeten maken. De detector was volgens de huidige normen klein, maar slaagde er nog steeds in om neutrino's te spotten - drie per uur. De wetenschappers hadden vastgesteld dat de voorgestelde neutrino echt was; studie van het ongrijpbare deeltje versnelde.
Een decennium later werd het veld groter toen een andere groep fysici een detector installeerde in de goudmijn van Homestake, in Lead, South Dakota, 450 meter onder de grond. In dit experiment probeerden de wetenschappers neutrino's te observeren door te controleren wat er gebeurt in de zeldzame gelegenheid dat een neutrino op een chlooratoom botst en radioactief argon aanmaakt, dat gemakkelijk te detecteren is. De kern van het experiment was een tank gevuld met 600 ton chloorrijke vloeistof, perchloorethyleen, een vloeistof die werd gebruikt voor chemisch reinigen. Om de paar maanden spoelen de wetenschappers de tank en extraheren ongeveer 15 argonatomen, bewijs van 15 neutrino's. De monitoring duurde meer dan 30 jaar.
In de hoop neutrino's in grotere aantallen te detecteren, leidden wetenschappers in Japan een experiment op 300 meter onder de grond in een zinkmijn. Super-Kamiokande, of Super-K zoals bekend, begon in 1996 te werken. De detector bestaat uit 50.000 ton water in een koepelvormige tank waarvan de wanden bedekt zijn met 13.000 lichtsensoren. De sensoren detecteren af en toe een blauwe flits (te zwak voor onze ogen om te zien) die wordt gemaakt wanneer een neutrino op een atoom in het water botst en een elektron creëert. En door het exacte pad te volgen dat het elektron in het water reisde, konden fysici de bron in de ruimte afleiden van de botsende neutrino. De meesten, zo ontdekten ze, kwamen uit de zon. De metingen waren voldoende gevoelig dat Super-K het pad van de zon langs de hemel kon volgen en, vanaf bijna een mijl onder het aardoppervlak, de dag in de nacht kon zien veranderen. "Het is echt een opwindend iets", zegt Janet Conrad, natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology. De deeltjessporen kunnen worden gecompileerd om 'een mooi beeld, het beeld van de zon in neutrino's' te maken.
Maar de experimenten Homestake en Super-K hebben niet zoveel neutrino's ontdekt als natuurkundigen hadden verwacht. Onderzoek aan de Sudbury Neutrino Observatory (SNO, uitgesproken als "sneeuw") heeft bepaald waarom. SNO is geïnstalleerd in een nikkelmijn van 6.800 voet diep in Ontario en bevat 1.100 ton "zwaar water", dat een ongebruikelijke vorm van waterstof heeft die relatief gemakkelijk reageert met neutrino's. De vloeistof bevindt zich in een tank die is opgehangen in een enorme acrylbal die zelf wordt vastgehouden in een geodetische bovenbouw, die trillingen absorbeert en waaraan 9.456 lichtsensoren zijn opgehangen - het geheel ziet eruit als een 30 voet lang kerstboomornament.
Wetenschappers die bij SNO werken, ontdekten in 2001 dat een neutrino spontaan kan schakelen tussen drie verschillende identiteiten - of zoals natuurkundigen zeggen, het schommelt tussen drie smaken. De ontdekking had opzienbarende implicaties. Ten eerste toonde het aan dat eerdere experimenten veel minder neutrino's hadden gedetecteerd dan voorspeld omdat de instrumenten waren afgestemd op slechts één neutrinosmaak - het soort dat een elektron creëert - en degenen misten die overschakelden. Voor een ander, de ontdekking wierp het geloof van fysici ten val dat een neutrino, zoals een foton, geen massa heeft. (Oscilleren tussen smaken is iets dat alleen deeltjes met massa kunnen doen.)
Hoeveel massa hebben neutrino's? Om erachter te komen, bouwen natuurkundigen KATRIN - het Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. Het zakelijke einde van KATRIN heeft een apparaat van 200 ton, een spectrometer genaamd, die de massa van atomen meet voor en nadat ze radioactief vervallen - waardoor wordt onthuld hoeveel massa de neutrino afvoert. Technici bouwden de spectrometer ongeveer 250 mijl van Karlsruhe, Duitsland, waar het experiment zal werken; het apparaat was te groot voor de smalle wegen in de regio, dus het werd op een boot op de Donau gezet en zweefde langs Wenen, Boedapest en Belgrado, de Zwarte Zee in, via de Egeïsche Zee en de Middellandse Zee, rond Spanje, via het Kanaal, naar Rotterdam en de Rijn in, vervolgens zuidwaarts naar de rivierhaven van Leopoldshafen, Duitsland. Daar werd het op een vrachtwagen gelost en kraakte het door de stad naar zijn bestemming, twee maanden en 5.600 mijl later. Het is gepland om in 2012 gegevens te verzamelen.
Natuurkundigen en astronomen die geïnteresseerd zijn in de informatie dat neutrino's uit de ruimte supernova's of botsende sterrenstelsels kunnen vervoeren, hebben neutrino-'telescopen' opgezet. Eén, IceCube genaamd, bevindt zich in een ijsveld op Antarctica. Na voltooiing zal het in 2011 uit meer dan 5.000 blauwlichtsensoren bestaan (zie bovenstaande afbeelding). De sensoren zijn niet op de lucht gericht, zoals je zou verwachten, maar op de grond, om neutrino's van de zon en de ruimte te detecteren die vanuit het noorden door de planeet komen. De aarde blokkeert kosmische stralen, maar de meeste neutrino's glijden door de 8000 mijl brede planeet alsof het er niet was.
Een neutrino-experiment over lange afstand vindt plaats onder verschillende staten in het Midwesten. Een energieversneller die subatomaire deeltjes genereert, schiet stralen van neutrino's en aanverwante deeltjes tot zes mijl diep, onder het noorden van Illinois, over Wisconsin en Minnesota. De deeltjes beginnen bij Fermilab, als onderdeel van een experiment genaamd de Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS). In minder dan drieduizendste van een seconde raakten ze een detector in de Soudan-ijzermijn, 450 mijl verderop. De gegevens die de wetenschappers hebben verzameld, bemoeilijkt hun beeld van deze uiterst kleine wereld: nu lijkt het erop dat exotische vormen van neutrino's, zogenaamde anti-neutrino's, mogelijk niet dezelfde oscillatieregels volgen als andere neutrino's.
"Wat cool is", zegt Conrad, "is dat het niet is wat we hadden verwacht."
Als het gaat om neutrino's, is er heel weinig.
Het nieuwste boek van Ann Finkbeiner, A Grand and Bold Thing, gaat over de Sloan Digital Sky Survey, een poging om het universum in kaart te brengen.
De meeste neutrino's die ons bombarderen, komen van de zon, hier afgebeeld in een ultraviolet beeld. (NASA) 
De holle Super-Kamiokande-detector in Japan is bekleed met 13.000 sensoren om tekenen van neutrino's te lokaliseren. Werknemers in een boot controleren het apparaat terwijl het zich met water vult. (Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo) 
In een reeks reacties in de kern van de zon creëren waterstofatomen helium door fusie. Bij het proces komen energie en subatomaire deeltjes vrij, waaronder neutrino's. Wanneer een foton of lichtdeeltje de dichte kern van de zon verlaat, raakt het gevangen in de hitte en woede en bereikt het ons misschien niet voor miljoenen jaren. Maar een zonne-neutrino is onaangetast en bereikt de aarde in acht minuten. (Infographics van Samuel Velasco / 5W) 
Het Sudbury Neutrino Observatorium van Canada bevestigde dat een neutrino zijn identiteit kan veranderen. (SNO) 
Natuurkundigen in Brookhaven National Laboratory in New York, hier getoond in de STAR-detector van het lab, hopen een neutrinostraal onder de grond te schieten naar de Homestake-mijn in South Dakota. (BNL) 
De MINOS neutrinodetector in Minnesota is het doelwit van neutrino-stralen die uit Illinois zijn geschoten. (Fermilab Visual Media Services) 
De KATRIN-spectrometer, die de massa van de neutrino meet, geperst door Leopoldshafen, Duitsland, op weg naar een laboratorium. (Karlsruhe Institute of Technology) 
De IceCube-neutrinodetector in Antarctica is ingebed in het ijs. Met 5.000 sensoren aangesloten op meer dan 70 lijnen, zal IceCube zoeken naar neutrino's die 8.000 mijl door de planeet zijn gepasseerd. (Universiteit van Wisconsin-Madison) 
Een reeks sensoren daalt af in een gat van 8000 voet diep. (Jim Haugen / National Science Foundation)
