De exotische deeltjes waren vorig jaar ineens wereldnieuws. Neutrino’s uit Genève reisden 6 kilometer per uur sneller dan licht dwars door de aarde naar Gran Sasso in Italië. Onlangs bleek echter dat het er een meetfout in het spel was.

Neutrino’s zijn nog altijd grotendeels onbegrepen. Wat ze doen in een mens? Waarvoor ze gebruikt kunnen worden? Dat moet allemaal nog onderzocht worden.

Wat zijn het eigenlijk voor deeltjes? En hoe weten wetenschappers dat ze bestaan? Daaraan ging een hele zoektocht vooraf, zo beschrijft de Oxfordse hoogleraar natuurkunde Frank Close in zijn boek ”Neutrino”.

Het deeltje blijkt alles te maken te hebben met Einsteins theorie. Daarnaast speelde de wet van behoud van energie een belangrijke rol.

Geruststellend

Volgens deze belangrijke natuurkundige wet kan energie nooit verloren gaan. Neem bijvoorbeeld een draaiende automotor. Daarin wordt de energie die is opgeslagen in diesel of benzine omgezet in beweging en warmte; de optelsom van de hoeveelheden warmte en bewegingsenergie is gelijk aan de chemische energie die in de verbruikte brandstof heeft gezeten.

Deze wet zorgde er ook voor dat de neutrino’s in het begin van de 20e eeuw werden ontdekt, een periode waarin wetenschappers volop experimenteerden met radioactiviteit.

Zo ontdekten ze dat een deeltje dat radioactief vervalt straling uitzendt. Dat kan alfastraling zijn maar ook bèta- of gammastraling.

James Chadwick, een Britse natuurkundige, ontdekte in 1914 dat alfastraling en gammastraling zich perfect hielden aan Einsteins vergelijking E=mc2: de massa die verdween bij radioactief verval, werd omgezet in energie. De wet van behoud van energie bleek dus te kloppen voor kernenergie. Een geruststellende gedachte voor de natuurkundigen.

Blaf

Bij radioactief bètaverval –waarbij bètastraling ontstaat– ging die vlieger echter niet op, ontdekte Chadwick. In de atoomkern verandert tijdens bètaverval een neutron in een positief geladen proton. Daarbij ontstaat een negatief geladen elektron, dat het atoom verlaat. Het vreemde was dat de energie van de elektronen die uitgezonden worden (bètastraling) nogal varieerde: sommige uitgezonden elektronen bevatten veel energie, andere vrijwel niets. Zijn Deense collega Niels Bohr meende daarom dat de wet van behoud van energie voor bètaverval niet opging.

De Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli weigerde Bohrs verklaring te accepteren. Hij stelde in 1930 dat er sprake moest zijn van „nieuwe neutrale deeltjes zonder massa. Deze zijn vooraf niet in het atoom aanwezig, net zomin als de blaf in een hond.” Het enthousiasme voor Pauli’s idee was echter niet groot in het wereldje van de natuurkundigen. Sommigen noemden zijn oplossing zelfs „volslagen idioot.”

Uit proeven bleek echter dat de Oostenrijker op het juiste spoor zat: er was een derde onzichtbare gast op het feestje van de elementaire deeltjes.

Spook

De doorbraak kwam in 1934 toen de Italiaan Enrico Fermi zijn theorie presenteerde. Naar zijn mening kon een neutron spontaan overgaan in een proton onder uitzending van een elektron (bètastraling) en een neutrino (het onzichtbare spookdeeltje). Die voorstelling bleek te kloppen met de metingen die werden uitgevoerd om Fermi’s idee te toetsen. Uit berekeningen bleek bovendien dat een neutrino zonder onderbreking door de aarde kon reizen als een kogel door een mistbank.

Ook dit idee werd met scepsis ontvangen. Niemand had ooit een neutrino waargenomen, dus bestond het deeltje voor de meeste natuurkundigen niet. Pauli had er echter alle vertrouwen in dat het eens zou worden gevonden. Hij had er in 1931 zelfs een kist champagne om verwed.

Het duurde tot 1956 voordat het spookdeeltje werd ontmaskerd. Vijf Amerikaanse natuurkundigen, onder wie Nobelprijswinnaar Fred Reines, bouwden in 1953 in een kerncentrale in de Verenigde Staten een kleine detector. Een kerncentrale straalt normaal gesproken elke seconde 10 biljoen neutrino’s per vierkante centimeter uit – ter vergelijking: per seconde passeren 150 keer minder zonneneutrino’s elke vierkante centimeter van de aarde. Er moest dus iets van op te vangen zijn. Op 14 juni ging een telegram de wereld over: „Het neutrino is ontdekt.” Pauli hield woord: de kist champagne arriveerde niet veel later bij de Amerikanen.

Rus

Na deze ontdekking werd het neutrino pas echt onderwerp van nauwgezet wetenschappelijk speurwerk. Zo verscheen in 1960 een Engelse vertaling van een Russisch artikel uit 1959. Daarin betoogde de Russische natuurkundige Bruno Pontecorvo dat een deeltjesversneller neutrino’s van meer energie kan voorzien, waardoor ze gemakkelijker gedetecteerd zouden kunnen worden; neutrino’s met weinig energie zijn helemaal niet te detecteren.

Neutrinodetectoren gebruiken duizenden tonnen ijs of water om een paar energierijke neutrino’s per dag te detecteren uit de miljarden die er per seconde doorheen gaan. In water of ijs botst soms een energierijke neutrino op een proton. Daarbij ontstaat een meetbare flits.

Verder voorspelde de Rus het bestaan van ten minste twee soorten neutrino’s. Uit later onderzoek is gebleken dat er drie typen bestaan, aldus Frank Close in zijn boek. „Waarom komen ze in drie smaken voor? Niemand die het weet.”

N.a.v. ”Neutrino”, Frank Close; uitg. Veen Magazines, Diemen, 2012; ISBN 9789085711018; 142 blz.; €19,95.

Sneller dan licht?

Groot was de schok toen uit twee experimenten zou blijken dat het buitenissige neutron sneller zou kunnen reizen dan het licht. Was tijdreizen daarmee mogelijk geworden? Stonden Einsteins theorie en alle aanverwante ideeën op de tocht? Zou de radiometrische datering van onder meer gesteenten achterhaald zijn?

Natuurwetenschappers zaten op het puntje van hun stoel na de publicatie van de metingen van het zogeheten Opera-experiment op 23 september 2011. Onderzoekers van het CERN in Genève en het Italiaanse Laboratori Nazionali in Gran Sasso hadden 16.000 metingen uitgevoerd. Daaruit zou blijken dat neutrino’s uit Genève 60 miljardste seconde eerder arriveerden in Gran Sasso dan een lichtsignaal zou kunnen: de deeltjes reisden 6 kilometer per uur sneller dan licht. Het zou gaan om een vierde soort neutrino, de zogeheten sneller-dan-licht-(FTL)-neutrino’s.

Vorige maand is bekend geworden dat het onderzoek niet klopte. Alleen voor web: Al in oktober vorig jaar stelde de Nederlandse natuurkundige Ronald van Elburg in Technology Review dat de gps-klokken in Genève en Gran Sasso 64 nanoseconden verschilden. Dat komt vrijwel overeen met het gemeten tijdsverschil tussen de aankomst van het licht en van de neutrino’s. Deze verklaring is onlangs door het CERN overgenomen.Onderzoeksleider Antonio Ereditato, een Italiaanse natuurkundige, kon zijn biezen pakken.

Intussen gaat het onderzoek naar de onzichtbare en razendsnelle neutrino’s nog altijd onverminderd door. Zo hebben wetenschappers van de universiteit van Rochester en de North Carolina State University onlangs met neutrino’s het woord ”neutrino” verstuurd. De boodschap werd met behulp van een deeltjesversneller geproduceerd in het Amerikaanse Fermilab en opgevangen door de Minervadetector in een grot 240 meter verderop. Wellicht is dit een eerste aanzet voor een toekomstig communicatiemedium.