18 december 2018

Krijgen Majorana-neutrino’s hun massa zónder het Higgs mechanisme?

Hoe werkt massa? Credit: Symmetry Magazine.

In 2012 werd het Higgs boson ontdekt door de twee grote detectoren van de Large Hadron Collider (LHC), de ATLAS- en CMS-detectoren. De ontdekking betekende de bevestiging van het bestaan van het elementaire deeltje dat verantwoordelijk is voor de massa die elementaire deeltjes hebben, zoals quarks en elektronen. De theorie die dat verkrijgen van massa door elementaire deeltjes verklaard werd in 1964 onder andere door Peter Higgs opgesteld en het bevat feitelijk drie componenten, te weten het alom aanwezige Higgsveld, het Higgs boson of -deeltje en tenslotte het Higgs mechanisme. Dat Higgs mechanisme uitleggen is lastig, maar onderstaand filmpje maakt het aardig duidelijk aan de hand van een metafoor van een zaal vol met natuurkundigen.

In theorie zouden alle elementaire deeltjes massaloos moeten zijn. Maar zoals we om ons een zien hebben de meeste elementaire deeltjes wel degelijk massa, quarks, elektronen, muonen, zelfs de Higgs bosonen zelf. Alleen de fotonen niet, die hebben geen massa, simpelweg omdat ze niet reageren met het Higgs veld. Waarom zijn er dan elementaire deeltjes met massa, terwijl dat volgens de theorie niet zou moeten zijn? Dat komt vanwege een gebeurtenis tijdens de oerknal die cruciaal is geweest, het moment van het ontstaan van het heelal, 13,8 miljard jaar geleden. Direct na de oerknal waren bijna alle elementaire deeltjes massaloos! Op een gegeven moment ging echter het Higgsveld ‘aan’ en kregen de deeltjes die reageerden met het veld via het Higgs boson massa, een situatie die sindsdien niet meer veranderd is. Nu is er echter recentelijk een theorie die zegt dat er één uitzondering is: het zou kunnen dat neutrino’s hun massa NIET verkrijgen via het Higgs mechanisme. Daar is wel één voorwaarde voor, namelijk dat ze zowel deeltje als hun eigen antideeltje zijn.

Neutrino's als deeltje én antideeltje (credit: Particle Zoo)

Neutrino’s als deeltje én antideeltje (credit: Particle Zoo)

Deeltjes die zowel deeltje als antideeltje zijn worden Majoranadeeltjes genoemd, naar de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana, die ze in 1937 voor ‘t eerst bedacht. Er zijn drie soorten neutrino’s, de elektron-, muon- en tau-neutrino’s en jarenlang werd gedacht dat ze net als het foton helemaal geen massa hebben. Ze zijn elektrisch neutraal, vliegen met gemak door een lichtjaar vol met lood, omdat ze nauwelijks reageren met andere elementaire deeltjes. Onderzoek heeft laten zien dat neutrino’s wel degelijk massa hebben, al is het heel weinig, minder dan een miljoenste van de massa van een elektron. Als neutrino’s inderdaad Majorana-achtig zijn zou het kunnen zijn dat ze hun massa, hoe weinig ook, krijgen van een ander deeltje dan het Higgs boson, wellicht van een variant ervan. Mocht die variant inderdaad bestaan, dan is dat een vorm van ‘Nieuwe Natuurkunde’, natuurkunde ‘Beyond Standard Model‘ (BSM), omdat het Standaard Model, hét model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten, dergelijke deeltjes niet voorspelt.


Probleem met neutrino’s is dat de natuurkundigen wel weten dá¡t ze massa hebben, dat de totale massa van de drie soorten wel bekend is, maar dat de massa van de afzonderlijke neutrino’s niet bekend is. Ook is het niet bekend of ze Majorana-deeltjes zijn, dus of ze hun eigen deeltje en antideeltje zijn. Nou wil het toeval dat een in Japan werkzame groep natuurkundigen – volgens blogger Jester allemaal monniken, ik kan ‘t helaas niet bevestigen – in het zogeheten kamLAND-Zen experiment aan het kijken is wat de massa van neutrino’s is én of ze Majorana-achtig zijn. Bij dat experiment kijken ze naar een ballon vol met het xenon isotoop Xe136, dat een ongelofelijk lange levensduur van 10^21 jaar heeft. Omdat er héél veel van die isotopen in de ballon zitten zien ze er af en toe eentje vervallen en wel via Xe136 > Ba136 2e- 2νbar, waarbij twee neutrino’s ontstaan bij het verval (‘ν’ is het symbool voor de neutrino’s). Wat de monniken hopen te zien is echter het verval Xe136 → Ba136+2e, dus zonder de neutrino’s. Zo’n verval zou gebeuren als neutrino’s Majoranadeeltjes zijn. Het verval is niet gezien, hierboven in de grafiek de resultaten (verdere uitleg in de bron, Resonaances), maar ook een null-meting heeft gevolgen. De halfwaardetijd van het verval Xe136 > Ba136+2e is hiermee bepaald op minstens 1,1 x 10^26 jaar.Laatste ding over die neutrino’s: er wordt door natuurkundigen ook gezegd dat het alternatieve mechanisme waardoor zij hun massa verkrijgen (áls ze Majorana-achtig zijn) verband houdt met donkere materie. We weten dat 85% van alle materie in het heelal geen gewone materie is van protonen, neutronen en andere deeltjes, maar de mysterieuze donkere materie. Pogingen donkere materie direct waar te nemen zijn tot nu toe mislukt, maar wellicht dat de sleutel ligt bij de neutrino’s. Wordt vervolgd. Bron: Symmetry Magazine + Résonaances.

Reacties

  1. Oops dit kan ik even niet plaatsen;

    “Alleen de fotonen niet, die hebben geen massa, simpelweg omdat ze niet reageren met het Higgs veld.”

    en

    “Nu is er echter recentelijk een theorie die zegt dat er één uitzondering is: het zou kunnen dat neutrino’s hun massa NIET verkrijgen via het Higgs mechanisme. Daar is wel één voorwaarde voor, namelijk dat ze zowel deeltje als hun eigen antideeltje zijn.”

    Fotonen zijn ook hun eigen antideeltje. Als dat voor neutrino’s een voorwaarde is om massa te verkrijgen middels een ander mechanisme, waarom dan niet de fotonen? Er zal best een verklaring zijn, maar ik vat het even niet. Weer iets om uit te puzzelen :-). Goed artikel trouwens

  2. Ja, goede vraag, waar ik 1-2-3 niet een antwoord op heb. Wellicht komt het omdat fotonen bosonen zijn (deeltjes met integere spin, zoals 0,1, 2) en neutrino’s fermionen (deeltjes met niet-integere spin, zoals 1/2, 2/3,…). Het zou overigens best kunnen dat ook fotonen massa hebben, zoals een recente theorie poneert. Ik weet niet of de fotonen, die inderdaad hun eigen antideeltje kunnen zijn, dan ook uit dat andere Higgs-veld putten.

    • Dat zou inderdaad kunnen. Misschien kan ik er wat meer info over vinden of de vraag elders neerleggen. Alhoewel dat lastig zal worden gezien de versheid van het artikel/idee.

      Ps, nu je het over spin hebt…als er een onderwerp is waar veel verwarring over bestaat dan is het wel de (electron)spin. Hoeveel ik daar niet over heb gelezen en videos bekeken zonder wijzer te worden. Totdat ik deze tegenkwam, in een cursus…uiteraard :-), https://www.youtube.com/watch?v=Bl-zUmeYj74
      Maar 6 minuutjes en een hoop duidelijkheid rijker. Voor de liefhebbers

  3. K.J.

    Goede vondst. Erg duidelijke presentatie. En er zijn meer van deze filmpjes.

    Dank

    Mies.

    • Klopt…..ik heb er ook meer bekeken maar deze sprak me het meest aan. Misschien is het niet de beste, maar “klikte” het voor mij. Ik zie trouwens dat ze niet een playlist hebben gemaakt op Youtube. Mocht iemand belangstelling hebben, hier staat de hele cursus http://echem1a.cchem.berkeley.edu/#modules
      De onderwerpen van de eerste 3 modules spraken mij het meest aan

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.