Als een neutrino de Super-Kamiokande detector passeert gaan allerlei sensoren oplichten. Credit: T2K Experiment/Super-Kamiokande Collaboration, Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo
Dat we bestaan is volgens het Standaard Model van de natuurwetenschappen hoogst opmerkelijk. Bij het ontstaan van het heelal zou volgens dat model, dat in de jaren zeventig is opgesteld en dat een beschrijving geeft van alle elementaire deeltjes en natuurkrachten daartussen, net zoveel materie als antimaterie moeten zijn ontstaan. En als dat samenkomt annihileert het en gaat het over in licht. Deze symmetrie tussen materie en antimaterie, die de natuurkundigen de CP-symmetrie noemen, zou een heelal van alleen maar licht moeten opleveren, zonder sterren, planeten en levende wezens. Maar kennelijk is ’t allemaal iets anders verlopen en hebben we een heelal dat grotendeels uit materie bestaat en waarin antimaterie slechts sporadisch voorkomt – gelukkig maar. Om er achter te komen wat er in het vroege heelal anders is gegaan dan het SM voorspelt onderzoekt men die CP-symmetrie en kijkt men of er sprake is van zogeheten CP-schending. Dat is al lang geleden waargenomen bij quarks in B-mesonen, maar die afwijkingen zijn zo klein dat ze nooit de waargenomen asymmetrie tussen materie en antimaterie kunnen verklaren. Vandaar dat men zich richt op een deeltje dat in geweldige hoeveelheden aanwezig is in het heelal, het neutrino. De dichtheid van neutrino’s afkomstig uit de oerknal wordt geschat op 300 per kubieke centimeter – vergelijk dat met de gemiddelde dichtheid van protonen, elektronen en neutronen in het heelal, pakweg 0,0000001 deeltje per kubieke cm. Eén van de experimenten waar ze neutrino’s bestuderen is T2K (‘Tokai to Kamioka’) in Japan, waarbij bundels neutrino’s en antineutrino’s worden geproduceerd in een kernreactor in Tokai, die vervolgens gericht worden gestuurd naar het ondergrondse Super-Kamiokande neutrino observatorium in Kamioka, 320 km verderop.
Neutrino oscillaties. Credit: Matt Strassler
Er zijn drie soorten neutrino’s – elektron, muon en tau neutrino’s – en sinds 1998 weet men dat deze kunnen ‘oscilleren’, waarbij ze van de ene smaak (‘flavor’) over kunnen gaan in de andere smaak. Naast de drie smaken neutrino’s zijn er ook drie smaken antineutrino’s, die ook in elkaar kunnen oscilleren. Eerder was al waargenomen dat er een belangrijk verschil tussen de neutrino’s en antineutrino’s is: alle neutrino’s zijn linkshandig – ze draaien met de klok mee ten opzichte van hun bewegingsrichting – en alle anti-neutrino’s zijn rechtshandig, zoals Robbert Dijkgraaf onlangs nog in z’n DWDD-University over symmetrie liet zien.
Credit: Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine
Volgens de CP-symmetrie van het Standaard Model zouden neutrino’s en antineutrino’s in dezelfde mate moeten oscilleren. In 2016 bleek al dat dat niet zo was: bij het T2K experiment kijkt men naar oscillaties tussen de smaken elektron en muon, zowel bij de ‘gewone’ als de ‘anti’ varianten. Het bleek dat 32 muon neutrino’s in elektron neutrino’s waren geoscilleerd, van de anti muon neutrino’s waren er slechts vier overgegaan in een anti elektron neutrino, afwijkend van wat SM voorspelt.
De resultaten van de metingen in 2017 met Super-K zijn in lijn met die van 2016. Men zag 89 muon neutrino’s overgaan in elektron neutrino’s, meer dan de 67 die SM voorspelt. En er werden zeven anti elektron neutrino’s gezien, twee minder dan de SM voorspelling. Alle resultaten van 2016 en 2017 optellend blijft de statistische betrouwbaarheid van de metingen mager: er is een kans van 1 op 20 dat er géén CP-schending is in de neutrino sector en dat het allemaal ruis is, die men heeft gezien. En dat betekent dat er nog geen champagne kan worden ontkurkt omdat er voor het eerst signalen zijn gezien voor nieuwe fysica, natuurkunde voorbij SM. Daar moeten we nog op wachten. Bron: Quanta Magazine.
