(Karlsruhe Instituut voor Technologie) Een enorm experiment om de massa van een van de meest verbijsterende deeltjes van het universum vast te stellen, heeft een limiet gesteld aan hoe groot de neutrino eigenlijk zou kunnen zijn.
Ooit beschouwd als massaloos, wordt nu gedacht dat de massa van het deeltje niet meer dan een enkele elektronvolt weegt. Het is misschien geen precies antwoord, maar het brengt ons wel een stap dichter bij een bevredigende oplossing voor een van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde.
Neutrino's zijn vreemd. Ze behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het heelal en zijn toch moeilijk te detecteren. Vanwege hun unieke eigenschappen hebben ze weinig interactie met normale materie terwijl ze met bijna de lichtsnelheid door het heelal stromen.
Miljarden neutrino's razen op dit moment door je lichaam. Je kunt zien waarom ze 'spookdeeltjes' worden genoemd.
Het Karlsruhe Tritium Neutrino ( KATRIN ) experiment begon afgelopen voorjaar met zijn testcampagne om de rustmassa van het neutrino te berekenen, na jaren van kalibraties en testen van hun faciliteit in Duitsland.
Eerder deze maand hebben vertegenwoordigers van het samenwerkingsverband leverden hun eerste lot resultaten op een conferentie in Japan.
Hoewel er nog een weg te gaan is en de bevindingen nog niet zijn gepubliceerd, hebben de inspanningen van het team de massaschattingen die eerder als mogelijk werden beschouwd, gehalveerd, van de vorige bovengrens van ongeveer 2 elektronvolt tot slechts 1.
In tegenstelling tot de eenheden van ponden en kilogrammen, is deze meting niet gemakkelijk in beeld te brengen. MIT-natuurkundige Joseph Formaggio en vooraanstaand lid van de KATRIN-experimentele groep stelt voor klein te beginnen en vervolgens kleiner te worden.
'Elk virus bestaat uit ongeveer 10 miljoen protonen,' Formaggio uitgelegd aan MIT News-schrijver , Jennifer Chu.
'Elk proton weegt ongeveer 2.000 keer meer dan elk elektron in dat virus. En wat onze resultaten lieten zien, is dat het neutrino een massa heeft van minder dan 1/500.000 van een enkel elektron!'
Het verbaast namelijk niemand dat de basismassa van een neutrino zo onvoorstelbaar laag is. In feite, toen ze voor het eerst werden voorgesteld als onderdeel van de Standaardmodel van deeltjesfysica, werd aangenomen dat de deeltjes helemaal geen massa hadden.
Deze veronderstelling werd eind jaren negentig empirisch betwist door de resultaten van een baanbrekend experiment het demonstreren van neutrino's die van de zon stromen veranderden van vorm,of smaak, op een manier die betekende dat hun massa niet nul kon zijn.
Dus als het niet nul is, wat is het dan? Al meer dan twee decennia hebben verschillende experimenten hun best gedaan om de grenzen te beperken van hoe groot - of klein - het zou kunnen zijn.
Het probleem is dat neutrino's zich op een vrij effectieve manier met hun eigen zaken bemoeien. De enige interactie die ze hebben met het soort deeltjes waarvan we meetinstrumenten bouwen, is via de zwakke kernkracht, die niet bepaald gemakkelijk te detecteren is.
'Als je het zonnestelsel zou vullen met lood tot vijftig keer voorbij de baan van Pluto, zou ongeveer de helft van de door de zon uitgezonden neutrino's het zonnestelsel nog steeds verlaten zonder interactie met dat lood,' zegt natuurkundige van de Universiteit van Washington , Hamish Robertson.
Hierdoor moeten natuurkundigen op zoek naar minder directe methoden om waarnemingen uit te voeren op zo'n spookachtig deeltje.
Astronomische waarnemingen hebben gesuggereerd dat de deeltjes een massa van ten minste 0,02 elektronvolt hebben. Andere experimenten gebaseerd op de enorme hoeveelheid elektronen die vrijkomt door afbrokkelende atomen van tritium hebben dit gesuggereerd kan niet meer zijn dan 2,2 elektronvolt .
KATRIN gaat verder waar die laatste schattingen van de bovengrens ophielden, en vergroot de zoektocht naar een antwoord in het verval van tritium door het radioactieve gas in een 70 meter lang apparaat nauwlettend in de gaten te houden.
Wanneer de waterstofisotoop afbreekt ( of vervalt ), kan het een nogal energetisch paar deeltjes vrijgeven in de vorm van een elektron plus een antineutrino.
Omdat natuurkundigen er zeker van zijn dat de massa van een neutrino hetzelfde is als zijn antideeltje, biedt het verval een uitstekende gelegenheid om een nauwkeurige meting uit te voeren.
Gewoonlijk wordt de 18.560 elektronvolt energie die het elektron doet vliegen redelijk gelijk verdeeld met de antineutrino.
Als je je de klassieke E=mc2-formule herinnert, zijn massa en energie twee kanten van dezelfde medaille. Een versnellende antineutrino heeft een kick van kinetische energie die meetelt voor zijn massa.
Maar het is de niet-versnellende energie van de ongrijpbare deeltjesfysici waarin ze geïnteresseerd zijn. Ze moeten dus een veelvoud aan vervalgebeurtenissen doorzoeken om de weinige te vinden die het elektron de meeste energie geven.
Wat overblijft van die gedeelde energie - theoretisch - zou de limiet moeten bepalen voor hoe zwaar een rustend neutrino zou kunnen zijn.
Gelukkig produceert hun bron van tritium elke seconde ongeveer 25 miljard paren van de twee deeltjes. En sommigen zullen zeker de hebzuchtige elektronen en ondervoede antineutrino's hebben die ze nodig hebben.
Als we dit aantal tot een nauwkeurig cijfer zouden krijgen, zou dit een grote verscheidenheid aan natuurkunde helpen informeren die ons nog steeds op het hoofd krabt, van deaard van donkere materienaar een uitleg vanwaarom 'dingen' überhaupt bestaan.
'Neutrino's zijn vreemde kleine deeltjes' zegt natuurkundige Peter Doe van de Universiteit van Washington.
'Ze zijn zo alomtegenwoordig en er is zoveel dat we kunnen leren als we deze waarde eenmaal hebben bepaald.'