Neutrino's zijn misschien wel de meest onderschatte deeltjes die de mensheid kent. Fysicus, slimme kerel en slimme aleck Wolfgang Pauli stelde hun bestaan voor het eerst voor in 1930 als een ontbrekend puzzelstukje - bepaalde nucleaire reacties hadden meer invloed dan dat ze naar buiten kwamen. Pauli redeneerde dat er iets kleins en onzichtbaars bij betrokken moest zijn - vandaar de neutrino, wat een soort Italiaans is voor 'kleine neutrale'.
In de decennia sinds dat eerste voorstel hebben we die kleine neutrale jongens leren kennen en liefhebben - maar niet volledig begrijpen. Ze hebben een beetje massa, maar we weten niet zeker hoeveel. En ze kunnen veranderen van de ene soort neutrino (een 'smaak' genoemd, want waarom niet?) Naar een andere, maar we weten niet precies hoe.
Telkens wanneer natuurkundigen iets niet begrijpen, raken ze erg opgewonden, omdat het antwoord op het raadsel per definitie buiten de bekende natuurkunde moet liggen. Dus het mysterie van neutrinomassa en -menging kan ons aanwijzingen geven voor mysteries als de vroegste momenten van de oerknal.
Een klein probleem: kleinheid. Neutrino's zijn klein en praten bijna nooit met normale materie. Triljoenen en biljoenen gaan nu door je lichaam. Merk je ze op? Nee, dat doe je niet. Om echt in neutrino-eigenschappen te graven, moeten we groot worden en binnenkort komen er drie nieuwe neutrino-experimenten online om ons grip op de dingen te geven. We hopen.
Laten we onderzoeken:
DUIN
Je hebt misschien de opwinding gehoord over een remake van de klassieke scifi-roman 'Dune'. Dit is het niet. In plaats daarvan staat deze DUNE voor het 'Deep Underground Neutrino Experiment', dat uit twee delen bestaat. Deel één zal plaatsvinden in Fermilab, in Illinois, en zal een gigantisch, neutraal pistool bevatten in genie-achtige stijl dat protonen zal versnellen tot bijna de snelheid van het licht, ze in dingen zal verpletteren en biljoenen neutrino's per seconde uit het zakelijke doel zal schieten.
Vanaf daar reizen de neutrino's in een rechte lijn (want dat is alles wat ze weten te doen) totdat ze deel twee raken, ongeveer 1300 kilometer verderop bij de Sanford Underground Research Facility in South Dakota. Waarom ondergronds? Omdat neutrino's in een rechte lijn reizen (nogmaals, geen keuze), maar de aarde is gebogen, dus de detector moet ongeveer 1,6 km onder het oppervlak zitten. En die detector is ongeveer 40.000 ton (36.000 ton) vloeibaar argon.
Hyper-Kamiokande
De voorganger van de aanstaande Hyper-Kamiokande ("Hyper-K" als je cool wilt zijn op natuurkundefeesten) was de toepasselijke naam Super-Kamiokande ("Super-K" om dezelfde redenen), gelegen nabij Hida , Japan. Het is een vrij eenvoudige opstelling voor beide instrumenten: een gigantische tank ultrazuiver water omgeven door fotovermenigvuldigerbuizen, die zeer zwakke lichtsignalen versterken.
Af en toe, in een uiterst zeldzame tijd, raakt een neutrino een watermolecuul, waardoor een elektron of een positron (de antimateriepartner van het elektron) sneller wegschiet dan de lichtsnelheid in water. Dit veroorzaakt een flits van blauwachtig licht, Cherenkov-straling genaamd, en dat licht wordt opgevangen door de fotomultiplicatorbuizen. Bestudeer de flits, begrijp de neutrino.
Super-K schreef supergeschiedenis in 1998 toen het het eerste solide bewijs leverde dat neutrino's tijdens het vliegen van smaak veranderen, gebaseerd op waarnemingen van de neutrino's die in de helse diepten van de zonnekern worden geproduceerd. De ontdekking betekende natuurkundige Takaaki Kajita een Nobelprijs en Super-K een aanhankelijk klopje op de fotomultiplierbuis.
Hyper-K is als Super-K maar groter. Met een capaciteit van 264 miljoen gallons (1 miljard liter) water heeft het 20 keer het verzamelvolume van Super-K, wat betekent dat het potentieel 20 keer het aantal neutrino's kan opvangen in dezelfde tijd dat Super-K dat kan. Hyper-K zal vanaf ongeveer 2025 in het hele universum zoeken naar neutrino's die worden geproduceerd door natuurlijke, organische reacties, zoals de fusie en supernova's. Wie weet? Het kan iemand ook een Nobelprijs opleveren.
PINGU
Ik weet niet precies waarom natuurkundigen de acroniemen kiezen die ze doen voor gigantische wetenschappelijke experimenten. In dit geval is Pingu de naam van een Europese geanimeerde pinguïn die verschillende tegenslagen heeft en belangrijke levenslessen leert op het zuidelijke continent. Het staat ook voor "Precision IceCube Next Generation Upgrade" (PINGU).
Het IceCube-gedeelte van dat acroniem verwijst naar het grootste, gemeenste neutrino-experiment ter wereld. Het experiment is gebaseerd op de Zuidpool en bestaat uit reeksen detectors die diep in de poolijslaag zijn gezonken en die de kristalheldere helderheid van dat ijs gebruiken om hetzelfde te doen dat Super- en Hyper-K in Japan doen: de Cherenkov-straling detecteren geproduceerd door neutrino's die door het ijs slingeren. Het experiment is pas een paar jaar geleden echt op gang gekomen, maar nu al verlangen de wetenschappers die het uitvoeren naar een upgrade.
Dit is waarom. IceCube is misschien groot, maar dat betekent niet dat het de beste is. Het heeft een blinde vlek: vanwege zijn enorme omvang (een hele kubieke kilometer ijs), heeft het moeite met het zien van energiezuinige neutrino's; ze maken gewoon niet genoeg pop en bruisen om door de detectoren van IceCube te worden gezien.
Betreed PINGU: een aantal extra detectoren, opgesteld nabij het midden van IceCube, speciaal ontworpen om de energiezuinige neutrino's op te vangen die de aarde treffen.
Als het (hopelijk) online komt, zal PINGU zich aansluiten bij het leger van instrumenten en detectoren over de hele wereld die proberen zoveel mogelijk van deze spookachtige kleine bijna-nietsjes te vangen en hun geheimen te ontsluiten.
