Als je snel een Nobelprijs wil incasseren, kun je beter een ander onderwerp kiezen. Maar het experiment KATRIN heeft het net rond de zogenoemde relic neutrino’s wel ietsje strakker kunnen trekken.

Welgeteld één seconde na de oerknal werden ze vrijgelaten in ons heelal: de zogenoemde relic neutrino’s. Nu, bijna 14 miljard jaar later, zijn ze er nog steeds. Elke kubieke centimeter ruimte zou honderden van deze deeltjes moeten bevatten.

Toch is het nog nooit gelukt het bestaan ervan aan te tonen. Het team achter het experiment KATRIN, in het Duitse Karlsruhe, doet nu een nieuwe duit in het zakje. Maar waarschijnlijk hebben natuurkundigen nog een heel lange weg te gaan voordat ze echt kunnen claimen deze deeltjes uit het piepjonge heelal te hebben gespot.

Uitgeputte deeltjes

Aanvankelijk was het in ons heelal een gezellige boel: deeltjes en straling mingelden vrijelijk met elkaar. Maar al na een enkele seconde hielden de neutrino’s het voor gezien. Ze negeerden alle andere deeltjes voortaan zo goed als helemaal en gingen hun eigen weg.

“Momenteel zijn deze relic neutrino’s de meest voorkomende materiedeeltjes in het heelal”, vertelt natuurkundige Thierry Lasserre, een van de KATRIN-onderzoekers. “Gemiddeld zijn er 336 per kubieke centimeter.”

Na 13,8 miljard jaar rondreizen door een uitdijend heelal zijn deze deeltjes alleen wel uitgeput. Als in: ze dragen nog maar een minuscuul beetje energie met zich mee. “Neutrino’s meten is sowieso al lastig, maar deze neutrino’s zijn helemaal moeilijk waar te nemen doordat ze zo weinig energie hebben”, zegt deeltjesfysicus Aart Heijboer van Nikhef, niet betrokken bij KATRIN. “Of we ze ooit kunnen detecteren, is daardoor maar zeer de vraag.”

Dappere poging

Dat heeft het team achter KATRIN er niet van weerhouden een dappere poging te doen. Daarbij maken ze dankbaar gebruik van de stof tritium. Dat is een vorm van waterstof, maar waar de kern van een waterstof bestaat uit een enkel proton, bestaat een tritiumkern uit een proton en twee neutronen.

Nu is tritium radioactief: gemiddeld na 12,26 jaar verandert een tritiumkern in een heliumkern, waarbij een elektron wordt uitgezonden. Maar een inkomende relic neutrino kan dat proces óók veroorzaken:

Tritium wordt helium door neutrino

Tritium (linksboven) kan onder invloed van een relic neutrino (linksonder) veranderen in helium (rechtsonder), waarbij een elektron wordt uitgezonden (rechtsboven). Illustratie: KATRIN/KIT

Dat zou dan elektronen moeten opleveren met een heel specifieke energie, dat de detectors van KATRIN zouden kunnen meten.

Maximaal 100 miljard keer zo hoog

Dat laatste is geprobeerd – maar vooralsnog kan het KATRIN-team geen piekje rapporteren bij betreffende energie. Een verrassing mag dat niet heten. Als er inderdaad ‘maar’ 336 neutrino’s per kubieke centimeter zijn, is dat veel en veel te weinig om een meetbaar signaal te veroorzaken.

Maar stel nu dat zich rond ons sterrenstelsel, de Melkweg, grote hoeveelheden relic neutrino’s hebben verzameld. Dat, met andere woorden, de dichtheid van deze neutrino’s in onze omgeving extreem veel hoger is dan gemiddeld. Dán had je misschien toch iets kunnen zien met KATRIN.

Dat is dus niet gebeurd – waardoor we nu weten dat de relic-neutrinodichtheid rond de Melkweg maximaal 100 miljard keer zo hoog is als de gemiddelde neutrinodichtheid. En dat is nieuws, want vóór de KATRIN-resultaten lag die bovengrens nog een factor honderd hoger.

‘Redelijk hopeloos’

Het KATRIN-experiment hoort tot 2024 te lopen. Met alle data die dat oplevert, is de bovengrens voor de lokale relic-neutrinodichtheid naar verwachting nog een factor tien omlaag te halen, schrijft het KATRIN-team.

Tenminste, dat is één mogelijkheid. Het zou natuurlijk kunnen dat er rond de Melkweg precies zoveel neutrino’s zijn dat KATRIN-tot-en-met-2022 ze niet heeft weten te meten, maar KATRIN-tot-en-met-2024 dat straks wel doet.

Het zal alleen lastig zijn een natuurkundige te vinden die daar geld op in wil zetten. “Tenzij er grote verrassingen zijn, is de zoektocht naar deze neutrino’s voorlopig redelijk hopeloos”, zegt Heijboer.