8 december 2019

IceCube laat zien dat lichte steriele neutrino’s toch niet bestaan

Een impressie van IceCube en wat er onder het ijs gebeurt. Credit: Icecube/NSF

Natuurkundigen hebben met de neutrino-detector IceCube in het ijs van de Zuidpool vast kunnen stellen dat lichte steriele neutrino’s, met massa in de orde van grootte van een elektronvolt, toch niet bestaan – ze weten ‘t voor 99% zeker. Er zijn drie soorten (‘smaken’) neutrino’s bekend en die steriele neutrino’s zouden mogelijk een vierde soort zijn. Een zware variant steriele neutrino’s, met massa van enkele KeV, kan wellicht een alternatieve verklaring bieden voor donkere materie, de mysterieuze massa die 85% van alle massa in het heelal vormt, maar die nog steeds niet direct gevonden is. Sinds experimenten met de Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) van het Los Alamos National Laboratory twintig jaar geleden stuitten op een anomalie in de waarnemingen aan neutrino’s is het bestaan van de vierde smaak neutrino’s geopperd. De ‘gewone’ neutrino’s – dat zijn de elektron-, muon- en tau-neutrino’s – kunnen reageren met andere materie via de zwaartekracht en de zwakke wisselwerking, de twee zwakste krachten in de natuur. Omdat ze niet reageren op de sterke en elektromagnetische wisselwerking reageren ze amper op andere materie en kunnen ze met gemak door sterren en planeten vliegen – op dit moment vliegen er zonder dat je ‘t merkt biljoenen neutrino’s door je lichaam. Het is dankzij de zwakke wisselwerking dat er heel af en toe eentje reageert met een elektron of een proton en dan wordt dat opgemerkt door detectoren zoals het Europese Antares (straks: KM3NeT) en Amerikaanse IceCube, waarvan je op de afbeelding boven het gedeelte bóven het ijs ziet.

Het hypothetische steriele neutrino zou niet reageren met de zwakke wisselwerking, alleen met de zwaartekracht, de allerzwakste kracht in de natuur. Directe waarneming van steriele neutrino’s, zoals met de drie andere smaken neutrino’s wel lukt, is daarom uitgesloten bij steriele neutrino’s. Maar hoe weet je dan of ze wel of niet bestaan als je ze met zekerheid niet kunt waarnemen? Dat kan doordat neutrino’s een bijzondere eigenschap hebben en dat is dat ze als een kameleon van smaak kunnen veranderen, tijdens hun reis veranderen ze continu van identiteit, van smaak. Als het vierde neutrino bestaat, dan zouden de drie gewone smaken af en toe ook in zo’n steriele smaak moeten veranderen. En dát is dan weer wel waarneembaar, want een deel van de smaken die je verwacht waar te nemen zou dan iets minder zijn, omdat ze in een (niet zichtbaar) steriel neutrino zijn veranderd. Omdat te checken keek men met iceCube naar neutrino’s die vanuit het noordelijk halfrond kwamen, vanuit de kant van de aarde dus (zie afbeelding hierboven, IceCube zit helemaal onderaan). Deze neutrino’s ontstaan als boven de Noordpool kosmische straling in botsing komt met deeltjes van de atmosfeer en er watervallen (‘cascades’) van deeltjes ontstaan, zoals muonen en neutrino’s.

De gehele aarde is een soort van versterker van de neutrino’s, met name de ijzerkern van de aarde, en een deel ervan zou in steriele neutrino’s moeten ‘oscilleren’, zoals ze die verandering van smaak noemen, iets wat zichtbaar zou moeten zijn in een afname van de hoeveelheid waargenomen gewone smaken neutrino’s. Maar dat is dus niet waargenomen door IceCube, die keek naar signalen in het energiebereik tussen 320 GeV en 20 TeV. De hoeveelheden waren na 100.000 waargenomen neutrino’s, gedurende een jaar gemeten, exact wat je verwacht als er maar drie smaken zijn en geen lichte steriele neutrino’s. Hier het vakartikel, dat onlangs is gepubliceerd in Physical Review Letters 117, 071801 (2016). Eh… OK geen lichte steriele neutrino’s dus, dat lijkt nu uitgesloten – hou nog wel de zware variant in de gaten. Maar dan blijf je met het probleem van die LSND anomalie zitten. Tsja, dat moet dan maar op een andere manier worden verklaard. Rest mij tenslotte nog een woord van dank te geven aan Olaf van Kooten, die het idee voor het onderwerp van de blog aanreikte, en Jean-Paul Keulen, die enkele suggesties voor de blog gaf. Bron: IceCube.

Comments

  1. Lijkt me geen logische redenering, als hoge concentraties steriele neutrino´s donkere materie moeten voorstellen dan verwacht je ook alle andere types in hoge concentraties op diezelfde plek als ze daaruit ontstaan. Niets verbiedt het m.i. om als solo type door het leven te gaan, in dat geval zeggen de bevindingen van ice-cube dus niets. Maar goed, steriele neutrino´s planten zich sowieso niet voort en van de overblijvende transgenders hebben we blijkbaar ook niets te verwachten als DM kandidaten 😉

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: