Onze schattingen van de grootte van een neutrino variëren van kleiner dan een atoomkern tot wel een paar meter groot. Maar nu beginnen onderzoekers de werkelijke waarde steeds beter te benaderen.
Natuurkundigen hebben een eerste directe meting gedaan van de grootte van het neutrino, een elementair deeltje. Het resultaat suggereert dat deze deeltjes op zijn minst groter zijn dan een atoomkern. Hoeveel groter, dat blijft onduidelijk: ze kunnen tot biljoenen keren groter zijn. Dat publiceerden de onderzoekers in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Golfpakketje
Het neutrinoformaat is lastig te bepalen omdat de quantummechanica ons vertelt dat deeltjes geen bolletjes zijn. In plaats daarvan zijn deeltjes inherent vage golven, die bewegen en trillen terwijl ze door de ruimte reizen. Natuurkundigen markeren de grenzen van een deeltje, en dus de grootte, door te zoeken naar het golfpakket: het gebied waarbinnen de golf sterk trilt en waarbuiten dit trillen snel afneemt.
‘AI is een veredelde rekenmachine’
Met AI spoort Ann Dooms vervalste schilderijen op, maakt ze onleesbare teksten doorzoekbaar en brengt ze de kwaliteit van eicellen in kaart.
Voor neutrino’s is het meten van het golfpakket bijzonder uitdagend doordat deze deeltjes zelden interactie hebben met normale materie. Tot nu toe hebben onderzoekers de grootte van het golfpakket alleen indirect kunnen berekenen, met schattingen die wel 13 ordegrootten uiteenlopen – van kleiner dan een atoomkern tot zo groot als een paar meter.
Groter dan het kleinste
Nu hebben natuurkundige Joseph Smolsky van de Colorado School of Mines uit Amerika en zijn collega’s een eerste directe meting van het neutrinogolfpakket gedaan. Ze ontdekten dat neutrino’s minstens honderden keren groter moeten zijn dan de vorige kleinste schatting. Dat betekent dat ze groter zijn dan typische atoomkernen.
Om deze meting te doen, heeft Smolsky’s team radioactief beryllium gemeten terwijl het vervalt in lithium. Dat gebeurt door een proces dat elektronenvangst heet. Daarbij combineert een elektron in het berylliumatoom met een proton in zijn kern, wat een neutron oplevert. Dit verandert het berylliumatoom in lithium.
Daarbij komt een energiestoot vrij die het atoom in een bepaalde richting schiet en die, om de impuls te bewaren, een neutrino maakt dat in de tegenovergestelde richting wegvliegt. Door het beryllium in supergeleidende detectoren te plaatsen en het te bestuderen met een deeltjesversneller, konden de onderzoekers de lithiumatomen nauwkeurig meten en de eigenschappen van het neutrino afleiden.
De onderzoekers ontdekten dat de neutrino’s minstens 6,2 picometer groot waren. Dat is honderden keren groter dan de atoomkern. ‘Het was een beetje verrassend’, zegt Smolsky. ‘Als ik denk aan een elektronenvangstproces, stel ik me dat voor binnen de atoomkern, omdat het elektron moet overlappen met een atoomkern. Maar de limiet die we lieten zien, zegt dat de grootte van het neutrino eigenlijk veel groter is dan de kern zelf.’
Neutrino-oscillaties
‘Dit is technisch een zeer moeilijke meting’, zegt natuurkundige Alfons Weber van de Johannes Gutenberg-universiteit in Mainz, Duitsland. ‘Ze hebben echt een hele nette methode gebruikt om een precisiemeting te doen, iets waarvan ik dacht dat dat nooit zou lukken.’
Het meten van de grootte van het neutrino is belangrijk voor het bouwen van toekomstige neutrinodetectoren. Die moeten nauwkeurig kunnen meten hoe vaak neutrino’s schakelen, of oscilleren, tussen drie verschillende soorten, zegt Weber.
Deze neutrino-oscillaties zijn essentieel om uit te zoeken waarom er meer materie dan antimaterie in het heelal is. Maar ze kunnen alleen nauwkeurig worden gemeten als het neutrino een bepaalde grootte heeft. Als het neutrino te klein is, zullen de drie verschillende soorten neutrino’s, elk met een andere massa, over de randen van het neutrinogolfpakket ‘uitpuilen’ en de metingen vertroebelen.
