Icon up Overzicht Volgende Icon right

Neutrino's

Onderwerp: kernfysica, nanotechnologie

Neutrino’s, kleine neutrale deeltjes, vliegen ons constant om de oren. Neutrino’s zijn, op fotonen na, de meest voorkomende deeltjes in het universum. Op dit moment gaan er elke seconde meer dan tienmiljard neutrino’s door jouw vingertop. Neutrino’s gaan bijna overal doorheen. Toch merken we daar maar heel weinig van. Dit komt doordat zwaartekracht vrijwel geen effect op ze heeft. Ook zijn ze neutraal geladen en worden dus niet beïnvloed door elektromagnetische kracht.

Alleen de zwakke kernkrachten hebben invloed op de neutrino’s. Daarom merken we niets van de neutrino’s die door ons heen gaan.
Neutrino’s hebben een heel kleine massa, zo klein dat voor een lange tijd werd gedacht dat ze helemaal geen massa hebben. Door deze kleine massa verplaatsen neutrino’s zich met bijna de lichtsnelheid. In 2011 werd er zelfs een meting gedaan van neutrino’s die sneller gingen dan de lichtsnelheid, dit zou betekenen dat de relativiteitstheorie van Einstein niet klopt. Het bleek echter een meetfout en neutrino’s zijn dus zeker langzamer dan licht.
Neutrino’s ontstaan in kernreacties. De grootste bron van de neutrino’s die de aarde bereiken is de zon. De volgende reactievergelijking kan gevonden worden in de zon, waar de kernen van vier waterstofatomen (protonen) fuseren tot de kern van één heliumatoom (twee protonen en twee neutronen).

 


Voor deze reactie moeten dus twee protonen (p) in neutronen (n) veranderen. Hierbij komen niet alleen twee positronen (e+) vrij, maar ook twee neutrino’s (νe). Positronen zijn anti-elektronen. Ze hebben dezelfde massa als een gewoon elektron, maar hun lading is positief.

Er bestaan drie soorten neutrino’s; elektron-, tau- en muonneutrino’s. Ze zijn vernoemd naar het deeltje waarmee ze het meeste voorkomen. Een elektron neutrino komt dus vaak voor in kernreacties waar ook elektronen of positronen in voorkomen.


Geschiedenis


Voor 1930 was het niet begrepen waarom er bij bètaverval energie en momentum verdween. Wolfgang Pauli loste dit probleem op met een klein neutraal deeltje die hij de neutron noemde. Lees er meer ovr in dit artikel over de ontdekking van Pauli.

Rond dezelfde tijd werd het deeltje dat we nu nog steeds de neutron noemen gevonden. Gelukkig werd de verwarring snel opgelost en werd Pauli’s neutron hernoemd tot neutrino. Het kleine deeltje werd in 1956 voor het eerst gezien in een experiment. Pas 39 jaar later kreeg de ontdekker, Fredirick Heines, de Nobelprijs voor het vinden van de neutrino.

 

Dit artikel is geschreven door studenten die deelnemen in de ASML Technology Scholarship. Dit is een studiebeurs voor masterstudenten in de techniek. Via natuurkunde.nl proberen we ons enthousiasme voor de techniek over te brengen op middelbare scholieren.

De studenten die namens ASML de artikelen schrijven voor natuurkunde.nl zijn Ole Pfeifle, Anne-Mieke Reijne, Bas van 't Hooft, Tim Hermans, Jort Jacobs en Sjoerd Loenen.

 


Detectie


Het detecteren van een neutrino is moeilijk, aangezien neutrino’s amper met materie reageren. Alhoewel er elke seconde neutrino’s door de detectoren gaan, worden er maar weinig neutrino’s daadwerkelijk gedetecteerd. Sinds het einde van de jaren 90 bestaat het idee dat neutrino’s weleens de grote vragen in de natuurkunde kunnen beantwoorden. Tegenwoordig worden er constant nieuwe neutrino-experimenten gestart op zoek naar antwoorden.


Een voorbeeld van een experiment is het Homestake experiment in 1960. Dit experiment deed de eerste meting van het aantal elektronneutrino’s afkomstig van de zon. Het experiment werd 1478 meter onder de grond uitgevoerd in een oude, Amerikaanse goudmijn. Het is belangrijk dat de metingen diep in de grond plaatsvinden. De aarde houdt andere deeltjes die door de lucht vliegen tegen zodat die de metingen niet aantasten. Aangezien neutrino’s makkelijk door de aarde vliegen, blijven bijna alleen neutrino’s over.


De neutrino’s werden ‘gevangen’ in een grote tank met tetrachlooretheen. Tetrachlooretheen is rijk aan chloor (37Cl). Als een elektronneutrino botst met chloor, verandert chloor in argon via de volgende vergelijking,


Alle gecreëerde argon kan vervolgens uit de tank worden gehaald en geteld. Met deze telling kan het totale aantal neutrino’s berekend worden.
Tegenwoordig worden nog steeds neutrino’s gemeten. Deze experimenten worden gedaan met water. Het blijkt dat 1 op de 10.000 neutrino’s botst met een waterdeeltje. Met genoeg volume aan water, is het dus mogelijk om een groot aantal neutrino’s te vangen. Als er een neutrino botst met een waterdeeltje dan komt er een lichtflits vrij. Deze flitsen worden gemeten en eigenschappen van de neutrino’s kunnen worden bepaald.

 

Een van de grootste en bekendste neutrinodetectoren is de Super-Kamiokande in Japan. Onder de grond, in een oude mijn, is een cilinder met een diameter van 40 meter. De wanden van de cilinder bevatten 11000 fotonmeters om zelfs de kleinste lichtflitsjes op te vangen. De binnenkant van de cilinder is gevuld met zeer zuiver water, waar de neutrino’s in opgevangen worden. In figuur 1 kun je een model van de detector zien.

 

Figuur 1: model van de detector, afbeelding wikipedia

 


Een ander experiment wordt gedaan met het grootste volume water op aarde, de zee. 2,5 km diep in de middellandse zee zijn 900 bollen naar beneden gelaten. In de bollen zitten fotonmeters die alle neutrino lichtflitsen in de zee meten. Een nadeel van een onderwater meting zijn de vissen. In de middellandse zee zijn er een aantal vissen die licht geven in het donker. Dit licht wordt ook opgevangen en beïnvloedt de metingen. Gelukkig kunnen de wetenschappers met wat moeite het verschil wel zien.


Zonneneutrino probleem


Met het Homestake experiment werden in de jaren 60 het aantal neutrino’s komende van de zon gemeten. Een vrij simpel experiment, we wisten hoe de zon werkt en hoe we neutrino’s kunnen meten. De uitkomst van het experiment was echter schokkend. Het aantal elektronneutrino’s was één derde van het verwachte aantal. Wetenschappers snapte niet wat er mis was. Snapte we de zon toch niet zo goed als verwacht? Is er iets tussen de zon en de aarde wat alle neutrino’s tegenhoudt? Maar er was nog een andere optie, de neutrino oscillatie. Er werden minder elektronneutrino’s gemeten, omdat een deel van de elektronneutrino’s waren veranderd in tau- en muonneutrino’s. In 2001 werd het eerste overtuigende bewijs van deze gekke soortveranderingen gemeten. In Canada werden niet alleen de elektronneutrino’s, maar ook de andere twee soorten neutrino’s gemeten. Weer werd maar 35% van het verwachte aantal elektronneutrino’s gemeten, maar het totale aantal neutrino’s kwam precies overeen met het verwachte aantal van de zon. Het bleek dus dat alhoewel in de zon elektronneutrino’s ontstaan, verandert (oscilleert) een deel van deze neutrino’s in een andere soort neutrino. In 2015 werd de uitvoerder van dit experiment (en de uitvoerder van een ander neutrino-experiment) beloond met een Nobelprijs voor de ontdekking van de neutrino oscillatie.


Neutrino oscillatie


Welke neutrino gemeten wordt, is afhankelijk van een kans. De kansverdeling is te zien in figuur 2. De kans op een elektronneutrino is aan het begin 1, dit betekent dat de neutrino is ontstaan als een elektronneutrino. Langzamerhand is de kans op een andere soort neutrino groter dan de kans om een elektronneutrino te meten. Zo oscilleert de kans tussen alle drie de neutrino soorten.

Figuur 2: De kansverdeling voor de verschillende types neutrinos, afbeelding gemaakt door Anne-Mieke Reijne 

De exacte kans is afhankelijk van een heleboel parameters die nog niet allemaal precies gemeten zijn. Om deze reden zijn er een heleboel experimenten die de oscillaties proberen te meten. Maar dat is erg moeilijk. Neutrino’s meten is al een hele opgave maar de daadwerkelijk geoscilleerde neutrino’s meten is nog een grotere uitdaging. Een voorbeeld hiervan is het OPERA experiment die zocht naar tauneutrino’s die in muonneutrino’s waren veranderd. Na drie jaar waren er nog steeds maar drie van deze neutrino’s gemeten. Gelukkig zijn er ook experimenten met iets meer succes en is er voor sommige parameters al een goede schatting.