Waarom natuurkundigen op jacht zijn naar de vreemdste van de ghost deeltjes


Elke seconde van elke dag wordt je gebombardeerd met biljoenen tot triljoenen subatomaire deeltjes, die uit de diepten van de ruimte naar beneden dwarrelen. Ze blazen door je heen met de kracht van een kosmische orkaan, die met bijna de snelheid van het licht naar binnen schiet. Ze komen van over de hele hemel, op elk moment van de dag en nacht. Ze doordringen het aardmagneetveld en onze beschermende atmosfeer als zoveel boter.

En toch, het haar op de bovenkant van je hoofd is niet eens verstoord.

Wat gebeurd er?

Deze kleine kleine kogels worden neutrino's genoemd, een term die in 1934 werd bedacht door de briljante natuurkundige Enrico Fermi. Het woord is vaag Italiaans voor 'kleine neutrale' en hun bestaan ​​had de hypothese dat het een zeer merkwaardige nucleaire reactie zou verklaren. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Soms voelen elementen een beetje … onstabiel. En als ze te lang alleen blijven, vallen ze uit elkaar en veranderen ze zichzelf in iets anders, iets een beetje lichter aan het periodiek systeem. Bovendien zou er een klein elektron uitkomen. Maar in de jaren 1920 vonden zorgvuldige en gedetailleerde waarnemingen van die vergaan kleine, nijpend discrepanties. De totale energie aan het begin van het proces was een klein beetje groter dan de energie die eruit kwam. De wiskunde is niet opgeteld. Vreemd.

Dus een paar natuurkundigen verzonnen een geheel nieuw deeltje uit de hele wereld. Iets om de ontbrekende energie weg te dragen. Iets kleins, iets lichts, iets zonder aanklacht. Iets dat onopgemerkt door hun detectoren kon glippen.

Een beetje neutraal. Een neutrino.

Het duurde nog een paar decennia om hun bestaan ​​te bevestigen – zo glad en sluw en stiekem zijn ze. Maar in 1956 voegden neutrino's zich bij de groeiende familie van bekende, gemeten, bevestigde deeltjes.

En toen werd het raar.

De problemen begonnen te brouwen met de ontdekking van het muon, wat toevallig gebeurde rond dezelfde tijd dat het neutrino-idee terrein begon te winnen: de jaren dertig. Het muon is bijna precies hetzelfde als een elektron. Dezelfde lading. Dezelfde draai. Maar het is anders op één cruciale manier: het is zwaarder, meer dan 200 keer meer massief dan zijn broer of zus, het elektron.

Muizen nemen deel aan hun eigen soort reacties, maar duren niet lang. Vanwege hun indrukwekkende omvang, zijn ze erg onstabiel en vervallen snel in douches van kleinere stukjes ("snel" betekent hier binnen een microseconde of twee).

Dat is allemaal goed en wel, dus waarom denken muonen in het neutrino-verhaal?

Natuurkundigen hebben gemerkt dat vervalreacties die het bestaan ​​van het neutrino suggereerden altijd een elektron hadden en nooit een muon. In andere reacties zouden muonen eruit springen, en niet elektronen. Om deze bevindingen te verklaren redeneerden zij dat neutrino's altijd overeenkomen met elektronen in deze vervalreacties (en niet met een ander soort neutrino), terwijl het elektron, het muon moet paren met een tot nu toe nog niet ontdekt type neutrino. Immers, de elektronvriendelijke neutrino zou de waarnemingen van de muon-gebeurtenissen niet kunnen verklaren. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

En zo ging de jacht verder. En verder. En verder. Het duurde tot 1962 voordat natuurkundigen eindelijk het tweede soort neutrino konden afsluiten. Het werd oorspronkelijk de "neutretto" genoemd, maar meer rationele hoofden hadden de overhand met het plan om dit het muon-neutrino te noemen, omdat het zich altijd in reacties met het muon combineerde.

Oké, dus twee bevestigde neutrino's. Had de natuur meer voor ons in petto? In 1975 analyseerden onderzoekers van het Stanford Linear Accelerator Centre dapper door bergen monotone gegevens om het bestaan ​​van een nog zwaardere broer of zus aan het wendbare elektron en het forse muon te onthullen: de kolossale tau, die maar liefst 3.500 keer de massa van het elektron inklokt . Dat is een groot deeltje!

Dus onmiddellijk werd de vraag: Als er een familie van drie deeltjes is, het elektron, het muon en de tau … kan er dan een derde neutrino zijn, om te paren met dit hernieuwde wezen?

Misschien misschien niet. Misschien zijn er alleen de twee neutrino's. Misschien zijn er vier. Misschien 17. De natuur heeft niet eerder aan onze verwachtingen voldaan, dus geen reden om nu te beginnen.

Overslipt over een heleboel gruwelijke details, in de afgelopen decennia, overtuigde natuurkundigen zichzelf met behulp van een verscheidenheid aan experimenten en observaties dat een derde neutrino zou moeten bestaan. Maar het was pas in de tweede helft van het millennium, in 2000, dat een speciaal ontworpen experiment bij Fermilab (humoristisch genaamd het DONUT-experiment, voor directe waarneming van de NU Tau, en nee, ik verzin dit niet) eindelijk voldoende bevestigde waarnemingen om terecht een detectie te claimen.

Dus waarom geven we zoveel om neutrino's? Waarom achtervolgen we ze al meer dan 70 jaar, van voor de Tweede Wereldoorlog tot het moderne tijdperk? Waarom zijn generaties wetenschappers zo gefascineerd geweest door deze kleine, neutrale wetenschappers?

De reden is dat neutrino's buiten onze verwachtingen blijven leven. Lange tijd waren we er niet eens zeker van dat ze bestonden. Lange tijd waren we ervan overtuigd dat ze volledig massaloos waren, totdat experimenten hinderlijk ontdekten dat ze massa moesten hebben. Precies "hoeveel" blijft een modern probleem. En neutrino's hebben deze vervelende gewoonte om van karakter te veranderen terwijl ze reizen. Dat klopt, aangezien een neutrino tijdens de vlucht reist, kan het van masker wisselen tussen de drie smaken.

Er kan zelfs nog een extra neutrino zijn die geen deel heeft aan gebruikelijke interacties – iets dat bekend staat als het steriele neutrino, waar fysici hongerig naar jagen.

Met andere woorden, neutrino's dagen voortdurend alles uit wat we weten over fysica. En als er één ding is dat we nodig hebben, zowel in het verleden als in de toekomst, dan is het een goede uitdaging.

Paul M. Sutter is een astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een ruimtevaarder en Space Radio, en auteur van Je plaats in het universum.

Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.