Het ene Amerikaanse experiment denkt een overschot aan bepaalde neutrino’s te hebben gemeten, het andere ziet niets vreemds. Waar komt dat door?

Neutrino’s zijn maar gekke deeltjes. Elke seconden vliegen er biljoenen door je lichaam, maar daar merk je niets van. In de regel trekken neutrino’s zich namelijk zo goed als niets van andere deeltjes aan.

Nog een vreemde eigenschap is dat er verschillende ‘smaken’ neutrino’s zijn die in elkaar kunen veranderen. Daarbij dénken we uit te kunnen rekenen wanneer dat soort veranderingen precies plaatsvinden en in welke mate.

Eerdere metingen van het experiment MiniBooNE strookten echter niet met die berekeningen. En dat zou op nieuwe deeltjes kunnen wijzen. Op zogenoemde steriele neutrino’s bijvoorbeeld, die zich nóg minder aantrekken van andere deeltjes dan gewone neutrino’s.

Nu heeft een ander experiment, MicroBooNE, zich op hetzelfde verschijnsel gestort. Dat zag alleen niets geks, meldt het team in een pas gepubliceerd artikel. Probleem opgelost dus? Nou nee. Nog steeds is niet duidelijk waarom MiniBooNE wél iets mat – en nog steeds kunnen er nieuwe deeltjes in het spel zijn.

Te kleine afstand

Voor zover we weten, komen neutrino’s in drie smaken: er zijn elektronneutrino’s, muonneutrino’s en tauneutrino’s. Aan het Amerikaanse Fermilab, bij Chicago, worden muonneutrino’s geproduceerd door protonen op een doelwit in te laten slaan. Deze neutrino’s reizen vervolgens naar de detector MiniBooNE, een paar honderd meter verderop.

De MiniBooNE-detector bestaat uit een bolvormige tank met vloeistof. Botst een neutrino op een atoomkern in die vloeistof, dan kan daar een muon uit ontstaan. En zo’n muon levert een meetbaar signaal op, in de vorm van een lichtflits.

Alleen: MiniBooNE mat ook signalen die leken te duiden op elektronneutrino’s uit de neutrinobundel die op de detector gericht stond. En dat was vreemd. Want hoewel neutrino’s van identiteit kunnen veranderen, had dat niet moeten gebeuren met de muonneutrino’s die van het doelwit naar MiniBooNE reisden. Daarvoor was de tussenliggende afstand simpelweg te klein.

Vier smaken?

Tenzij er een ander deeltje in het spel is. Een vierde neutrino bijvoorbeeld, dat dan ‘steriel’ zou zijn: alleen via de zwaartekracht heeft zo’n deeltje interactie met andere deeltjes. En aangezien de zwaartekracht in de deeltjeswereld geen rol van betekenis speelt, betekent dat in de praktijk dat het steriele neutrino géén interactie heeft met andere deeltjes.

Toch kan dit extreem ongrijpbare deeltje zijn bestaan verraden. Als er namelijk niet drie, maar vier neutrinosmaken zijn, verandert dat de regels die beschrijven wanneer neutrino’s een gedaanteverwisseling ondergaan. Dan is het bijvoorbeeld wél mogelijk dat een muonneutrino in een elektronneutrino verandert tijdens het korte tripje van doelwit naar detector.

Geen overschot

Als het resultaat van MiniBooNE klopt, zou dat dus ons begrip van de natuurkunde behoorlijk kunnen opschudden. Maar dan zouden ook andere experimenten de onverwachte verandering van muon- naar elektronneutrino moeten zien. Zoals het experiment MicroBooNE. Dat kijkt naar dezelfde neutrinobundel als MiniBooNE, vanaf ongeveer dezelfde locatie – maar met een andere techniek. Hier leiden de deeltjes die ontstaan na een neutrinobotsing niet tot lichtflitsen, maar tot waarneembare sporen door de detector. Ziet MicroBooNE op die manier ook elektronneutrino’s die er niet zouden meten zijn?

Nee, zo maakte het MicroBooNE-team bekend in een artikel waar we eerder al over schreven, maar dat nu pas officieel is gepubliceerd: hun detector ziet precies zoveel elektronneutrino’s als je zou verwachten – of zelfs ietsje minder. Daarbij ging het team niet over één nacht ijs. Het zocht op drie verschillende manieren naar elektronneutrino’s. Maar geen van die methodes bracht een neutrino-overschot aan het licht.

“De resultaten van de MicroBooNE-meting zijn compatibel met het standaardscenario waarbij er maar drie smaken neutrino’s zijn”, zegt dan ook Krijn de Vries, astrodeeltjesfysicus aan de Vrije Universiteit Brussel, niet betrokken bij Mini- of MicroBooNE. “Hier is dus geen noodzaak voor een interpretatie waarbij een vierde, steriel neutrino een rol speelt.”

Nog steeds onduidelijk

Tegelijk kán zo’n steriel neutrino er nog steeds zijn, stellen natuurkundige Carlos Argüelles van de Harvard-universiteit en collega’s in een ander artikel, gepubliceerd in dezelfde tijdschrifteditie als de MicroBooNE-resultaten. Er zijn scenario’s te bedenken waarbij zo’n deeltje bij MiniBooNE tot een overschot aan elektronneutrino’s zouden leiden en bij MicroBooNE niet. “Wel is het steriele-neutrino-scenario minder waarschijnlijk geworden”, zegt De Vries.

Interessant is verder dat in het kader van het MicroBooNE-onderzoek processen in kaart zijn gebracht die MiniBooNE ten onrechte de indruk hadden kunnen geven dat er een overschot was aan elektronneutrino’s. Maar dat lijkt niet te zijn gebeurd, zegt De Vries. “Er zijn geen aanwijzingen gevonden dat deze processen niet goed zijn meegenomen in de MiniBooNE-analyse.”

Oftewel: hoe het kan dat MiniBooNE toch een teveel aan elektronneutrinosignalen zag, is nog steeds onduidelijk. “Het antwoord op die openstaande vraag kan heel interessante fysica opleveren”, zegt De Vries. “Mogelijk in de vorm van een steriel neutrino, of in de vorm van een beter begrip van dit soort detectoren. Dit moet dus zeker verder onderzocht worden.”