Neutrino's zijn ongrijpbare subatomaire deeltjes die ontstaan in een grote verscheidenheid aan nucleaire processen. Hun naam, die 'kleine neutrale' betekent, verwijst naar het feit dat ze geen elektrische lading hebben. Van de vier fundamentele krachten in het universum werken neutrino's alleen samen met twee - de zwaartekracht en de zwakke kracht, die verantwoordelijk is voor het radioactieve verval van atomen. Ze hebben bijna geen massa en ritsen met bijna de snelheid van het licht door de kosmos.
Ontelbare neutrino's ontstonden fracties van een seconde na de oerknal. En er worden voortdurend nieuwe neutrino's gecreëerd: in de kernharten van sterren, in deeltjesversnellers en atoomreactoren op aarde, tijdens de explosieve ineenstorting van supernova's en wanneer radioactieve elementen vervallen. Dit betekent dat er volgens het natuurkundige Karsten Heeger van de Yale University in New Haven, Connecticut, gemiddeld 1 miljard keer meer neutrino's zijn dan protonen.
Ondanks hun alomtegenwoordigheid, blijven neutrino's grotendeels een mysterie voor natuurkundigen omdat de deeltjes zo moeilijk te vangen zijn. Neutrino's stromen door de meeste materie alsof het lichtstralen zijn die door een transparant raam gaan en nauwelijks interageren met al het andere dat bestaat. Op dit moment passeren ongeveer 100 miljard neutrino's door elke vierkante centimeter van uw lichaam, hoewel u niets zult voelen.
Onzichtbare deeltjes ontdekken
Neutrino's werden eerst geponeerd als antwoord op een wetenschappelijk raadsel. Aan het einde van de 19e eeuw waren onderzoekers aan het puzzelen over een fenomeen dat bekend staat als bèta-verval, waarbij de kern in een atoom spontaan een elektron uitzendt. Bèta-verval leek in strijd te zijn met twee fundamentele natuurkundige wetten: behoud van energie en behoud van momentum. Bij bèta-verval leek de uiteindelijke configuratie van deeltjes iets te weinig energie te hebben en stond het proton stil in plaats van in de tegenovergestelde richting van het elektron te worden geslagen. Pas in 1930 stelde natuurkundige Wolfgang Pauli het idee voor dat er een extra deeltje uit de kern zou kunnen vliegen, met de ontbrekende energie en het momentum erbij.
"Ik heb iets verschrikkelijks gedaan. Ik heb een deeltje gepostuleerd dat niet kan worden gedetecteerd", zei Pauli tegen een vriend, verwijzend naar het feit dat zijn veronderstelde neutrino zo spookachtig was dat het nauwelijks met iets zou interageren en weinig tot geen massa zou hebben .
Meer dan een kwart eeuw later bouwden natuurkundigen Clyde Cowan en Frederick Reines een neutrinodetector en plaatsten deze buiten de kernreactor van de atomaire Savannah River-centrale in South Carolina. Hun experiment slaagde erin een paar van de honderden biljoenen neutrino's die uit de reactor vlogen vast te houden, en Cowan en Reines stuurden Pauli trots een telegram om hem te informeren over hun bevestiging. Reines zou in 1995 de Nobelprijs voor natuurkunde winnen - tegen die tijd was Cowan overleden.
Maar sindsdien hebben neutrino's de verwachtingen van wetenschappers voortdurend getrotseerd.
De zon produceert kolossale aantallen neutrino's die de aarde bombarderen. Halverwege de 20e eeuw bouwden onderzoekers detectoren om naar deze neutrino's te zoeken, maar hun experimenten lieten een discrepantie zien, waarbij slechts ongeveer een derde van de voorspelde neutrino's werd gedetecteerd. Of er was iets mis met de modellen van astronomen van de zon, of er was iets vreemds aan de hand.
Fysici realiseerden zich uiteindelijk dat neutrino's waarschijnlijk in drie verschillende smaken of soorten voorkomen. De gewone neutrino wordt elektronenneutrino genoemd, maar er zijn ook twee andere smaken: een muon-neutrino en een tau-neutrino. Terwijl ze de afstand tussen de zon en onze planeet passeren, oscilleren neutrino's tussen deze drie typen, en daarom misten die vroege experimenten - die alleen waren ontworpen om naar één smaak te zoeken - tweederde van hun totale aantal.
Maar alleen deeltjes met massa kunnen deze oscillatie ondergaan, in tegenspraak met eerdere ideeën dat neutrino's massaloos waren. Hoewel wetenschappers de exacte massa's van alle drie de neutrino's nog steeds niet kennen, hebben experimenten vastgesteld dat de zwaarste van hen minstens 0,0000059 keer kleiner moet zijn dan de massa van het elektron.
Nieuwe regels voor neutrino's?
In 2011 veroorzaakten onderzoekers van het Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) -experiment in Italië een wereldwijde sensatie door aan te kondigen dat ze neutrino's hadden gedetecteerd die sneller dan de lichtsnelheid reisden - een zogenaamd onmogelijke onderneming. Hoewel ze veel aandacht kregen in de media, werden de resultaten met veel scepsis onthaald door de wetenschappelijke gemeenschap. Minder dan een jaar later realiseerden natuurkundigen zich dat defecte bedrading een sneller-dan-licht-bevinding had nagebootst, en neutrino's keerden terug naar het rijk van kosmisch gezagsgetrouwe deeltjes.
Maar wetenschappers hebben nog veel te leren over neutrino's. Onlangs hebben onderzoekers van het Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) van het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) bij Chicago overtuigend bewijs geleverd dat ze een nieuw type neutrino hebben ontdekt, een steriele neutrino genaamd. Een dergelijke bevinding bevestigt een eerdere anomalie die werd waargenomen bij de Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), een experiment in het Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Steriele neutrino's zouden alle bekende fysica op zijn kop zetten omdat ze niet passen in wat bekend staat als het standaardmodel, een raamwerk dat bijna alle bekende deeltjes en krachten behalve zwaartekracht verklaart.
Als de nieuwe resultaten van MiniBooNE standhouden, "zou dat enorm zijn; dat gaat het standaardmodel te boven; dat zou nieuwe deeltjes vereisen ... en een geheel nieuw analytisch kader", vertelde deeltjesfysicus Kate Scholberg van Duke University aan WordsSideKick.com.
