Neutrino’s die vlak na de oerknal ontstonden, zogeheten relic neutrino’s, kunnen inzicht bieden in het ontstaan van het heelal. Deeltjesfysicus Nicolo de Groot zet alles op alles om ze voor het eerst waar te nemen. Stap één: uitvogelen hoeveel massa zulke neutrino’s hebben.
In het heelal wemelt het van de neutrino’s: mysterieuze elementaire deeltjes die voortdurend overal doorheen vliegen – ook door onszelf. Al een seconde na de oerknal vlogen ze in groten getale door de ruimte. Deze allereerste neutrino’s, ook wel ‘relic neutrino’s’ genoemd, kunnen helpen ontrafelen wat de rol was van materie en antimaterie in het ontstaan van het heelal. Maar er is één probleempje: ze hebben zo weinig energie, dat het tot nu toe nog niet gelukt is om ze te detecteren.
Deeltjesfysicus Nicolo de Groot van de Radboud Universiteit jaagt samen met zijn collega’s al jaren op deze ongrijpbare deeltjes. Hij maakt deel uit van het Ptolemyproject, een internationale samenwerking waarbij onderzoekers tritiumatomen – superzwaar waterstofgas – willen inzetten om relic neutrino’s te meten. Als een neutrino namelijk op een tritiumatoom botst, dan komt er een elektron vrij met een beetje extra energie. De precieze hoeveelheid extra energie hangt af van de neutrinomassa. ‘Het probleem is dat we nog niet weten wat de massa van neutrino’s is’, zegt De Groot. ‘Pas als we die hebben bepaald, kunnen we inschatten hoe nauwkeurig onze opstelling moet zijn om relic neutrino’s te meten – en of dat überhaupt kan.’
Hoe beïnvloedt je huid je gezondheid?
Steeds meer onderzoek wijst uit dat er een sterk verband bestaat tussen een ongezonde huid en ouderdomsziekten.
Uiteenvallende atomen
Alle pijlen zijn daarom eerst gericht op het bepalen van de massa van neutrino’s. Hiervoor onderzoeken De Groot en zijn collega’s wederom tritiumatomen. Ditmaal bestuderen ze het verval van deze atomen: eens in de zoveel tijd vallen ze uiteen in een heliumatoom, een elektron én een neutrino (om precies te zijn: een antineutrino). De energie die hierbij vrijkomt, wordt verdeeld over het elektron en het neutrino. ‘In sommige gevallen krijgt het ene deeltje wat meer dan het andere’, zegt De Groot. ‘Wij kijken naar de gevallen waarbij het elektron alle extra energie krijgt en het neutrino geen extra energie. Door deze energieverdeling heel precies te meten, hopen we de massa van een neutrino te kunnen bepalen.’
Dat zit zo: de totale energie die vrijkomt bij het verval van een tritiumatoom is voor onderzoekers bekend. Zou het neutrino massaloos zijn, dan draagt het elektron al deze energie. Maar als het neutrino wel een zekere massa heeft, draagt het minstens een hoeveelheid energie die overeenkomt met zijn massa volgens Einsteins beroemde formule E = mc2 (die aangeeft dat energie en massa inwisselbaar zijn). In dit geval krijgt het elektron net een beetje minder energie. Het verschil tussen deze iets lagere elektronenergie en het theoretische maximum komt overeen met de massa van het neutrino. ‘Het probleem is dat dit energieverschil belachelijk klein is’, zegt De Groot. ‘Om de neutrinomassa te bepalen, moeten we de energie van elektronen kunnen meten met een precisie van 1 op 100.000.’
Elektronen filteren
In Karlsruhe in Duitsland staat een grote opstelling genaamd KATRIN, waarmee andere onderzoekers de neutrinomassa willen bepalen met behulp van tritiumgas. ‘Maar in een gas kunnen moleculen trillen en draaien, en daar gaat ook energie in zitten’, zegt De Groot. ‘Dit geeft een limiet aan hoe precies je de energieën kunt meten.’
Daarom werken De Groot en zijn collega’s van het Ptolemyproject aan een andere opstelling. ‘We willen tritiumatomen vastzetten op een substraat van grafeen, een laagje koolstofatomen van een atoom dik’, zegt De Groot. ‘Dan heb je meer controle over wat er met de atomen gebeurt en kun je nauwkeuriger meten dan KATRIN.’
Omdat het heel zeldzaam is dat het elektron bij tritiumverval alle energie overneemt, moet je de detector niet met doorsnee gevallen belasten. Daarom hebben de onderzoekers een filter gebouwd met sterke magneten en elektrische velden, die enkel de hoge-energie-elektronen doorlaat. ‘Door het magnetische veld draaien de elektronen rond en zenden ze een radiosignaal uit met een bepaalde frequentie’, zegt De Groot. ‘Die frequentie geeft een eerste schatting van de elektronenergie en kunnen we met een ongelooflijke precisie meten. Daarna romen we 99,99 procent van de elektronen af met de filter, zodat enkel de belangrijke elektronen bij de detector aankomen.’
Erop of eronder
Inmiddels staan alle gebouwde onderdelen opgesteld in een ondergronds laboratorium in Italië, anderhalf uur buiten Rome: het Laboratori Nazionali del Gran Sasso. Daar moet in de loop van dit jaar blijken of al het harde werk zal lonen. ‘2025 wordt voor ons een heel spannend jaar’, zegt De Groot. ‘Hoewel in onze simulaties alles lijkt te kloppen, gaan we dit jaar testen of het filter echt werkt zoals het moet.’
Toch zal 2025 niet het jaar zijn waarin de wereld de neutrinomassa leert kennen, denkt De Groot. ‘Bij KATRIN duurde het wel vijf jaar voordat het apparaat op gang kwam’, zegt hij. ‘Je loopt altijd tegen dingen aan. We verwachten dat we twee à drie jaar nodig zullen hebben om de neutrinomassa nauwkeurig te bepalen. Dat zou mooi zijn, want dan lukt het nog net voor mijn pensioen.’
Zo gauw de neutrinomassa bekend is, zal ook duidelijk worden of je het piepkleine beetje extra energie kunt meten dat een elektron krijgt als een relic neutrino op een tritiumatoom botst. ‘Er zitten tien miljard keer zoveel neutrino’s van de oerknal in het heelal als andere neutrino’s’, zegt De Groot. ‘Als we een minuscule toename in elektronenergie zouden meten, komt dit daarom vrijwel zeker van een relic neutrino.’
CV
Nicolo de Groot is sinds 2004 hoogleraar experimentele deeltjesfysica aan de Radboud Universiteit in Nijmegen en verbonden aan deeltjesfysica-instituut Nikhef. Het grootste deel van zijn tijd doet hij onderzoek naar het higgsdeeltje, met behulp van experimenten in deeltjeslaboratorium CERN, bij het Zwitserse Genève. Daarnaast maakt zijn onderzoeksgroep sinds 2018 deel uit van het internationale Ptolemyproject, dat de massa van neutrino’s wil vaststellen en exemplaren van vlak na de oerknal wil vinden.
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met het NWA-ORC consortium ‘One second after the Big Bang’.
