Waar halen neutrino's hun massa vandaan? Het is een mysterie, een van de meest verbijsterende in het standaardmodel van de deeltjesfysica. Maar een team van natuurkundigen denkt te weten hoe ze het moeten oplossen.
Hier is het probleem: Neutrino's zijn raar. Ultra-vage deeltjes, de meeste zijn zo energiezuinig en niet substantieel dat ze onze hele planeet passeren zonder te stoppen. Decennia lang dachten wetenschappers dat ze helemaal geen massa hadden. In de oorspronkelijke versie van het standaardmodel, dat deeltjesfysica beschrijft, was de neutrino volkomen gewichtloos. Ongeveer twee decennia geleden veranderde dat. Natuurkundigen weten nu dat neutrino's massa hebben, zij het in minuscule hoeveelheden. En ze weten nog niet precies waarom die massa is.
We kunnen het mysterie echter oplossen, betoogt een nieuw artikel dat op 31 januari is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters. Als we genoeg tijd en gegevens hebben, zouden de neutrino's met de hoogste energie die we al kunnen detecteren de geheimen voor hun massa moeten ontsluiten.
Detectie van neutrino-resonanties
Neutrino's hebben verschillende hoeveelheden energie: twee verder identieke deeltjes zullen zich heel anders gedragen, afhankelijk van hoeveel energie ze dragen.
De meeste neutrino's die we kunnen detecteren, komen van onze zon en een handvol superheldere energiebronnen op aarde (zoals kernreactoren) en hebben een relatief lage energie. En neutrino's met lage energie glippen gemakkelijk door stukjes materie, zonder ergens tegenaan te botsen. Maar onze planeet wordt ook gebombardeerd door neutrino's met veel hogere energie. En het is veel waarschijnlijker dat ze tegen andere deeltjes botsen, zoals een tractoraanhanger die over de snelweg schreeuwt in de passerende rijstrook.
In 2012 kwam er op Antarctica een deeltjesdetector online die is ontworpen om die hogere energieneutrino's te detecteren. Maar de detector, genaamd IceCube, kan ze niet direct waarnemen. In plaats daarvan zoekt het naar de nasleep van hoogenergetische neutrino-botsingen met watermoleculen in het omringende ijs - botsingen die uitbarstingen veroorzaken van andere soorten deeltjes die IceCube kan detecteren. Meestal zijn die uitbarstingen rommelig en produceren ze verschillende deeltjes. Maar soms zijn ze ongewoon schoon - het resultaat van een proces dat resonantie wordt genoemd, zei co-auteur Bhupal Dev, een natuurkundige aan de Washington University in St. Louis.
Wanneer een neutrino in een ander deeltje slaat, met name een elektron, e het gaat soms door een proces dat bekend staat als Glashow-resonantie, vertelde Dev aan WordsSideKick.com dat resonantie de twee deeltjes samenbrengt en ze in iets nieuws verandert: een W-boson. Glashow-resonantie, voor het eerst voorgesteld in 1959, vereist zeer hoge energieën, en een enkel voorbeeld kan in 2018 in IceCube zijn opgedoken, volgens een lezing uit 2018 op een neutrino-conferentie.
Maar volgens Dev en zijn co-auteurs zijn er mogelijk andere soorten resonanties. Een van de meer populaire theorieën over hoe neutrino's hun massa krijgen, staat bekend als het 'Zee-model'. En onder het Zee-model zou er een ander type resonantie zijn zoals Glashow, dat een ander nieuw deeltje zou produceren, bekend als de "Zee-burst", schreven de onderzoekers in de nieuwe studie. En die resonantie zou binnen het vermogen van IceCube zijn om te detecteren.
Als een Zee-uitbarsting zou worden gedetecteerd, zou dit leiden tot een radicale update van het standaardmodel, waardoor de manier waarop natuurkundigen naar neutrino's kijken volledig zou veranderen, zei Dev.
Het Zee-model zou van een theorie naar een stevige wetenschap gaan en het bestaande model van neutrino's zou worden weggegooid.
Maar IceCube is alleen gevoelig voor bepaalde reeksen neutrino-energieën, en de omstandigheden die Zee-uitbarstingen zouden veroorzaken, bevinden zich aan de buitenranden van dat bereik. Na verloop van tijd zal IceCube een dergelijk incident waarschijnlijk in de komende 30 jaar detecteren.
Maar gelukkig komen er updates voor IceCube, merkten de onderzoekers op. Zodra de detector is geüpgraded naar de veel grotere en gevoeliger IceCube-Gen 2 (het is niet precies duidelijk wanneer dit zal gebeuren), zou het gevoeliger apparaat binnen slechts drie jaar een Zee-burst moeten kunnen opvangen - als Zee-bursts echt zijn buiten.
En als Zee-uitbarstingen er niet zijn, en het Zee-model verkeerd is, zal het mysterie van de neutrinomassa alleen maar dieper worden.
