Kosmische achtergrondstraling bestaat uit fotonen van vrij kort na de oerknal die we nu waarnemen als microgolfstraling. Onderzoekers verwachten dat er ook neutrino’s zijn die nog korter na de oerknal zijn uitgezonden. Dit heet de kosmische-neutrino-achtergrond.
Wat zijn neutrino’s?
Neutrino’s (de naam betekent neutraaltje in het Italiaans en is bedacht door Enrico Fermi) zijn moeilijk te meten. Ze zijn vrijwel ongevoelig voor drie van de vier fundamentele natuurkrachten. Omdat ze geen lading hebben, zijn ze niet gevoelig voor elektromagnetische krachten. Ze hebben veel te weinig massa om ze met de zwaartekracht te kunnen meten. Ook zijn ze ongevoelig voor de sterke kernkracht en daarom blijft alleen de zwakke kernkracht over om deze deeltjes mee waar te nemen. De naam ‘zwakke’ kernkracht geeft al aan dat het geen simpele meting wordt. Maar dit is gelijk het bijzondere van neutrino’s. Omdat ze nauwelijks interacties hebben met andere deeltjes konden ze ontsnappen aan de oersoep, de ‘hot dense state’ die ontstond bij de oerknal. Deze zogenaamde ‘relic’ (of relikwie) neutrino’s zijn één seconde na de oerknal vrijgekomen. Fotonen konden pas 100.000 jaar na de oerknal ontsnappen. De relikwieneutrino’s kunnen ons dus veel vertellen over de situatie vlak na de oerknal.
Ondanks de ongrijpbaarheid van neutrino’s zijn wetenschappers er al wel in geslaagd ze waar te nemen. Relikwieneutrino’s hebben echter door het uitdijen van het heelal momenteel bijna geen kinetische energie meer (zie figuur 1). Deze lage energie maakt het extreem lastig om relikwieneutrino’s waar te nemen, er zijn op dit moment nog geen methodes beschikbaar om juist deze neutrino’s te meten.
Figuur 1 bevat een combinatie van berekeningen of metingen. De onderbroken streepjes geven anti-neutrino's aan en doorgetrokken lijnen neutrino's. Waar zowel neutrino's en anti-neutrino’s zijn weergeven, is een combinatie van de twee lijntypes. De CNB-lijn die er staat is een berekening.
Energie van neutrino’s
Om te begrijpen hoe het zit met de energie van het neutrino beginnen we met iets wat je misschien al wel kent: $\beta$ -verval. Wanneer een radioactieve stof zoals waterstof-3 (tritium) vanzelf vervalt, zendt het drie deeltjes uit zoals weergegeven in deze vervalvergelijking:
Waar het antideeltje is van het neutrino oftewel de anti-neutrino. Bij het verval van $^3_1\text{He}$ naar $^3_2\text{He}$ komt energie vrij waarvan het meeste naar het elektron gaat. De maximale energie die het elektron kan krijgen noemen we $Q$ . In figuur 2 zie je het spectrum van alle mogelijke energieën van het elektron met de maximale waarde $Q$ aan het uiteinde.
Het spectrum eindigt bij de maximumenergie die het elektron uit de reactie kan halen als het geen energie hoeft te delen met het neutrino, dat wil zeggen als het neutrino massaloos is. Het eindpunt is in werkelijkheid lager (rood) omdat het neutrino wel massa heeft.
De rode en blauwe lijn corresponderen met $\beta$ -verval, maar de groene piek correspondeert met de andere nucleaire reactie die eerder besproken is: neutrinovangst. Omdat het neutrino massa heeft, voegt het energie toe aan de reactie en zal het vrijkomende elektron dus net iets meer energie hebben vergeleken met de vervalreactie. Dit is waarom we een piekje zien van de vangstreactie rechts van het vervalspectrum.
Aanvankelijk wist men niet of het anti-neutrino een massa had en als het dat al had, was het te klein om waar te nemen. Tegenwoordig weten we dat het (anti-)neutrino wel een massa heeft, maar een zeer kleine. Dit veranderde de $Q$ -waarde naar $Q^*$ , omdat het elektron een beetje energie moet geven aan de neutrino-massa-energie. Die neutrino-massa-energie is dan gelijk aan $Q - Q^*$ . In de opdracht kun je voor jezelf berekenen hoe je de neutrinomassa zou kunnen vinden met een meting van $Q$ en $Q^*$ .
Gegeven is dat je $Q = 18600\: \text{eV}$ meet zonder neutrinomassa en $Q^* = 18599.5\: \text{eV}$ met neutrinomassa. Bereken de neutrinomassa uit deze $Q$ en $Q^*$ .
Het energieverschil is dus 0,5 eV. Dit converteren we naar Joule, met 1 eV = 1,6.10-19 J. Volgens gebruiken we de formule van Einstein $E = mc^2$ om de neutrino-massa-energie te berekenen.
$m = \frac{0,5 \cdot 1,6\cdot 10^{-19}}{(2,99 \cdot 10^8)^2} = 9,0 \cdot 10^{-37} \: \text{kg}$
Het PTOLEMY-experiment
Het PTOLEMY-experiment wil met een combinatie van deeltjesfysica, astrofysica, kosmologie, plasmafysica, gecondenseerde materie fysica en microgolftechniek een poging wagen deze relikwieneutrino’s voor het eerst waar te nemen. PTOLEMY betekent: Princeton Tritium Observatory for Light, Early-Universe, Massive-Neutrino Yield.
Deze waarneming van relikwieneutrino’s gaat gebruikmaken van een trucje. In het hiervoor beschreven $\beta$ -verval hebben we niet genoemd dat het neutrino dat ontstaat technisch gesproken een anti-neutrino is. Dat gaan we nu gebruiken. Je kunt deeltjesverval namelijk deels of geheel omdraaien, waarbij een deeltje dat een reactie ‘ingaat’ gelijk is aan een anti-deeltje dat eruit komt. In dit geval schrijven we het inverse $\beta$ -verval, als volgt:
Door te starten met een neutrino ontstaan dan helium-3 en een elektron uit tritium. Deze reactie ziet er op quarkniveau uit als in figuur 3. Het triton (tritiumdeeltje) bestaat uit een proton en twee neutronen. Ieder neutron bestaat op zijn beurt weer uit twee down-quarks en een up-quark. Als het triton een neutrino vangt, betekent dat dat deze reageert met een down-quark in een neutron. Deze down-quark verandert door de zwakke kernkracht in een up-quark waardoor het neutron verandert in een proton. Het tritium heeft een neutron verloren en een proton gewonnen waardoor het een isotoop van helium is geworden, namelijk He-3.
Nu het neutrino aan de andere kant van de vergelijking staat, betekent dit dat het elektron nu in totaal juist meer energie krijgt dan eerst, namelijk precies de energie van het neutrino.
De verwachting is nu dat wanneer PTOLEMY de energie van de elektronen uit een tritiumbron meet, er in het standaardspectrum van het $\beta$ -verval aan het eind een piekje te zien zal zijn afkomstig van inverse $\beta$ -verval oftewel van een ‘ingevangen’ relikwieneutrino! Zie figuur 3.
Het idee om zo te meten is al vrij oud, maar het was nog niet uitvoerbaar omdat het maar een zeer klein piekje is (het is een zeldzame interactie). Bovendien heb je een hoogresolutiemeting nodig om een te wazig spectrum te voorkomen. Het PTOLEMY-experiment heeft een ontwerp uitgedacht waarbij de elektronenergie heel nauwkeurig wordt gemeten.
Het experiment bestaat uit een bron van tritium om de relikwieneutrino’s mee te laten reageren. In principe zou je dan je tritium kunnen omringen met zogenaamde calorimeters die de energie van de elektronen kunnen meten. Maar er is een probleem, de calorimeters moeten heel nauwkeurig kunnen meten om zeer kleine verschillen in de energie van de elektronen waar te kunnen nemen. Ze zijn dus heel gevoelig voor verstoringen. Om verstoringen te voorkomen hebben we een elektronfilter nodig dat twee dingen doet: het vertraagt de signaalelektronen (die ontstaan zijn door neutrinovangst) en voorkomt dat achtergrondelektronen (van normaal tritiumverval) de calorimeter kunnen bereiken. In figuur 4 zie je de opstelling van het meetinstrument.
In figuur 4 zie je de layout. Het target is ook bijzonder. Tritium is een gas, om er een vast target van te maken wordt het gebonden aan grafeen. Het zal zich dan niet gedragen als een gas. Dit vermindert storingen.
Er komen constant elektronen door natuurlijk verval uit het tritium, maar soms is er ook een reactie met een relikwieneutrino. De elektronen bewegen eerst door een holte met een antenne erin. De antenne meet de straling die de elektronen produceren en zo kunnen we bepalen hoe snel en in welke richting ze bewegen. Deze informatie komt terecht bij een filter waar het elektron ofwel wordt verwijderd als deze niet afkomstig is van een relikwie-elektron, of het elektron wordt vertraagd als deze dat wel is. Uiteindelijk komen de vertraagde elektronen bij de calorimeter die de energie van het elektron meet. Dit geeft het elektronspectrum!
Een uitdagend experiment, maar met een prachtige beloning: een beeld van het heelal één seconde na ontstaan!
Saad el Morabit
