Steriele neutrino’s: de dino’s onder de deeltjes

KIJK-redactie

2020-03-26 08:59:41

steriele neutrino's

Het heelal zit vol sterren, mensen, dieren enzovoort. En volgens natuurkundige Jeff Dror hebben superzware, nu uitgestorven deeltjes daar een grote rol in gespeeld.

Waarom is het heelal niet leeg? Dat klinkt misschien als een gekke vraag: waarom zou het heelal wél leeg zijn? Nou, omdat er vlak na de oerknal evenveel materie als antimaterie moet zijn ontstaan. En als een deeltje en een antideeltje elkaar ontmoeten, verdwijnen ze allebei. Dus als je van beide aanvankelijk evenveel hebt, houd je op termijn geen van tweeën over. Toch hebben we een heelal vol sterren, planeten, mensen, dieren enzovoort, stuk voor stuk gemaakt van materie. Antimaterie is daarentegen nergens te bekennen; dat goedje moeten we met vee pijn en moeite in het lab creëren. Hoe is dat zo gekomen?

Kort na de geboorte van het heelal, zo menen natuurkundigen, moet er iets zijn gebeurd waardoor er net wat meer materie dan antimaterie ontstond. Toen materie en antimaterie elkaar vervolgens gingen vernietigen, bleef daardoor een klein restje materie over. En dat restje, dat zijn wij – en alles om ons heen.

Maar hoe ontstond dan dat kleine overschot aan materie? Daarvoor kijken natuurkundigen naar de meest nietige, onopvallende deeltjes die er maar zijn: de neutrino’s. En via een ingewikkelde omweg zouden zwaartekrachtsgolven moeten laten zien of die deeltjes – of eigenlijk: hun topzware broertjes – inderdaad verantwoordelijk zijn voor, nu ja, alles wat er maar is.

Lees ook:

Lak aan de regels

Een van de dingen die neutrino’s tot zulke bijzondere deeltjes maken, is dat ze veel minder wegen dan alle andere materiedeeltjes die we kennen. Om dat te verklaren, hebben natuurkundigen het seesaw-mechanisme bedacht, in goed Nederlands het wipwapmechanisme.

Dat veronderstelt dat er naast de ‘gewone’ neutrino’s ook superzware neutrino’s zijn: zogenoemde steriele neutrino’s. Die twee soorten neutrino’s zitten dan als het ware elk op het uiteinde van een wip. Duw je de massa van de ene groep omlaag, dan gaat die van de andere groep omhoog. Dus als je de steriele neutrino’s maar zwaar genoeg maakt, kunnen de gewone neutrino’s zo licht zijn als ze zijn.

Die zware steriele neutrino’s zijn echter allang uitgestorven. Ze ontstonden kort na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden, om direct daarna uit elkaar te vallen tot lichtere deeltjes. En dat verval, daar gaat het om. Normaal gesproken eindig je bij zo’n verval namelijk met netto net zoveel materie en antimaterie als waarmee je begon. Maar als steriele neutrino’s, zoals natuurkundigen vermoeden, zelf zowel materie als antimaterie zijn, kunnen ze lak aan die regel hebben. Daardoor kunnen al die vervallende steriele neutrino’s in het vroege heelal een overschot aan materie hebben veroorzaakt – het overschot waaraan wij ons hele bestaan te danken hebben.

steriele neutrino's
Ruimtemissie LISA zou zwaartekrachtsgolven kunnen meten die zijn uitgezonden door ‘barstjes’ in de ruimte: zogenoemde kosmische snaren. En die snaren zouden kunnen duiden op het bestaan van zware neutrino’s. © NASA/ESA

Slierten energie

Intrigerend verhaal – maar hoe checken we of het ergens op slaat? Dat is nog best lastig: zoals gezegd zijn alle steriele neutrino’s allang uit het heelal verdwenen. Bovendien zijn het zulke zware deeltjes dat ze niet zomaar uit een deeltjesversneller als de LHC tevoorschijn komen. Want: hoe meer een deeltje weegt, hoe meer energie nodig is om het te maken – en de hoeveelheid energie die steriele neutrino’s nodig hebben, ligt ver buiten het bereik van elke machine die de mensheid nu of in de nabije toekomst kan bouwen.

Toch is er een manier, schrijven natuurkundige Jeff Dror en collega’s in het tijdschrift Physical Review Letters. Cruciaal is daarbij dat steriele neutrino’s weliswaar zwaar moeten zijn, maar ook weer niet te zwaar, willen ze de lage massa’s van de gewone neutrino’s kunnen verklaren. “We hebben echter goede redenen om aan te nemen dat er in het vroege heelal allerlei processen speelden die de steriele neutrino’s te zwaar zouden maken”, mailt Dror. “Daarom moet er iets zijn geweest wat die processen daarvan weerhield.”

Dat iets moet een zogenoemde symmetrie zijn geweest – een eigenschap van het heelal die de steriele-neutrino-massa’s als het ware laag hield terwijl al die gekke processen huishielden. Die symmetrie is vervolgens ‘gebroken’ – hij verdween als het ware uit ons heelal – en dat breken heeft zijn sporen nagelaten. Daarbij ontstonden er namelijk ‘foutjes’ in de ruimte, volgens Dror en collega’s waarschijnlijk in de vorm van slierten energie die kosmische snaren worden genoemd.

En die slierten zouden we kunnen zien. Bij wijze van spreken dan. “Door te schudden en te trillen veroorzaken deze snaren zwaartekrachtsgolven”, licht Dror toe. Oftewel: trillingen in de ruimtetijd die zich tot op de dag van vandaag door het heelal voortbewegen.

Overtreffende trap

Waarschijnlijk zijn die zwaartekrachtsgolven te zwak om ze op te pikken met de huidige generatie detectoren, zoals LIGO dat in 2015 de eerste zwaartekrachtsgolven vond. Maar er staan genoeg experimenten op stapel die wél een goede kans maken het trillen van deze snaren waar te nemen. Zo hoopt de Europese ruimtevaartorganisatie ESA in 2034 LISA te lanceren, een formatie van drie onbemande ruimtescheepjes die zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte moeten gaan oppikken. Rond diezelfde tijd hoort ook de driehoekige Einstein Telescope in werking te treden: de overtreffende trap van LIGO en Virgo. En wie weet zien zulke experimenten dan wel een stukje van het antwoord op de vraag: hoe kan het eigenlijk dat wij hier zijn?

Deze Far Out staat ook in KIJK 4/2020.

Tekst: Jean-Paul Keulen

Bron: arXiv.org

Openingsbeeld: iStock/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK! 







Podcast KIJK en luister via JUKE



Meer Artikelen