Fysici weten dat er drie verschillende soorten neutrino’s zijn. Ze weten ook welke van die drie het lichtst is en welke het zwaarst. Maar ze weten niet hoeveel de deeltjes precies wegen. Britse wetenschappers hebben nu de maximale massa bepaald voor het lichtste neutrino.
Door eerdere metingen op een berg te gooien, hebben onderzoekers berekend dat het lichtste neutrino maximaal 1,5 * 10-34 gram (0,000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 00015 gram) kan wegen. Dat betekent dat het deeltje minstens zes miljoen keer lichter is dan een elektron.
Ongrijpbare spookdeeltjes
Neutrino’s zijn de lichtste deeltjes die we kennen. Het standaardmodel van de deeltjesfysica voorspelt zelfs dat neutrino’s massaloos zijn, vertelt onderzoeksleider Arthur Loureiro van het University College London. Maar ruim twintig jaar geleden bleek uit experimenten dat tenminste twee van de drie neutrinosoorten een piepklein beetje massa moeten hebben. Hoeveel ze wegen is een mysterie.
Gaan we buitenaards leven ontdekken op ijsmanen?
De ruimtevaartorganisaties NASA en ESA spenderen momenteel miljarden aan missies naar de ijsmanen rond de planeten Jupiter en Saturnus.
Omdat het standaardmodel geen massa voor neutrino’s voorspelt, is er een nieuwe theorie nodig. ‘Die theorie vertelt ons niet alleen meer over neutrino’s, maar waarschijnlijk ook over twee andere mysterieuze ‘entiteiten’: donkere materie en donkere energie’, zegt Loureiro. Neutrino’s, donkere materie en donkere energie hebben namelijk alle invloed op de samenstelling van ons heelal. Door meer over neutrino’s te leren, leren we dus ook meer over donkere bestandsdelen van het heelal.
Maar neutrino’s zijn lastig te meten. Behalve dat ze bijna niets wegen en piepklein zijn, trekken ze zich ook niets aan van elektrische of magnetische velden. Daardoor vliegen ze overal ongemerkt doorheen. Zelf de aarde is voor deze spookdeeltjes bijna onzichtbaar. Wel zijn neutrino’s talrijk. Alleen al door je duim vliegen elke seconde honderd miljard neutrino’s.
‘Omdat neutrino’s overvloedig maar klein en ongrijpbaar zijn, hadden we alle beschikbare kennis nodig om hun massa te berekenen’, zegt Loureiro.
Wazig heelal
De onderzoekers hebben veel metingen van eerdere deeltjesfysica-experimenten en telescoop-observaties samengeveegd om tot hun conclusie te komen. Zo keken ze onder meer naar botsingen in deeltjesversnellers, naar metingen van neutrino’s die vrijkomen bij kernreacties in kerncentrales en naar telescoopobservaties die de verdeling van sterrenstelsels in het heelal in kaart brengen.
Wat vertellen die telescoopobservaties over neutrino’s? Neutrino’s zijn snel. Ze razen met bijna de lichtsnelheid door het heelal. Dankzij hun beetje massa slepen ze daarbij, door de zwaartekracht, andere materie met zich mee. Daardoor wordt die materie uit elkaar getrokken en wordt de structuur van het heelal iets ‘waziger’, zegt Loureiro. De sterren en sterrenstelsels klonteren daardoor minder samen en alle materie raakt meer verspreid. ‘Hoe zwaarder de neutrino’s zijn, hoe meer uitgesmeerd de structuur zal zijn.’ Zo kun je aan de hand van de verdeling van sterrenstelsels in het heelal iets zeggen over neutrinomassa’s.
Zestig jaar computertijd
De fysici gooiden alle beschikbare metingen in een supercomputer om te zoeken naar de grootst mogelijke massa van de lichtste neutrino. ‘We hebben negen verschillende manieren getest om de neutrino-massa te modelleren’, vertelt Loureiro. ‘Tegelijkertijd hebben we voor elk van de modellen gecontroleerd of die klopte met de metingen. Daarom kostte het ons meer dan een half miljoen rekenuren om dit resultaat te bereiken.’ Met een enkele processor had deze berekening bijna zestig jaar geduurd.
Uit alle berekeningen en modellen bleek dat een maximale massa van 1,5 * 10-34 gram het best overeenkomt met de metingen en observaties.
‘Het is een goed artikel met een meer gedetailleerde analyse van kosmologische gegevens dan mensen tot nog toe hadden gedaan’, zegt André de Gouvêa, een theoretisch fysicus van Northwestern University.
Al dit werk heeft enkel geleid tot een bovengrens. Wanneer zullen we alle neutrinomassa’s kennen? Loureiro: ‘Ik denk dat de volgende generatie telescopen, zoals DESI (start eind september) en ruimtelescoop Euclid (lancering in 2020) een goede kans hebben om de neutrinomassa’s te vinden.’