Onderzoekers hebben mogelijke neutrino’s gedetecteerd met behulp van een deeltjesversneller; een mijlpaal.

Neutrino’s zijn eigenlijk overal: ze zijn één van de meest voorkomende subatomaire deeltjes in het heelal. Maar, ze hebben geen lading en bijna geen massa. Het betekent dat ze geen sterke interactie aangaan met normale materie. Op dit moment reizen ze dan ook met miljarden door jouw lichaam, zonder dat je daar iets van merkt. Niet voor niets worden ze dan ook ‘spookdeeltjes’ genoemd. Maar nu laten deze ongrijpbare en mysterieuze deeltjes voor het eerst hun sporen na in de Zwitserse deeltjesversneller.

Meer over de Zwitserse deeltjesversneller

De Zwitserse Large Hadron Collider (LHC) is de grootste deeltjesversneller ter wereld. het is een ondergrondse deeltjesversneller gebouwd op de Frans-Zwitserse grens in de buurt van Genève. De Large Hadron Collider is simpel gezegd niet veel meer dan een 27 kilometer lange ring. In die ring worden protonen versneld, waardoor ze bijna de lichtsnelheid bereiken. Vervolgens botsen de deeltjes op elkaar. Wanneer protonen botsen, ontstaan nieuwe deeltjes. Sommige van die deeltjes zijn de wetenschappers nog onbekend. Gehoopt wordt dat deze onbekende deeltjes ons meer inzicht kunnen geven in hoe het universum in elkaar steekt.

Onderzoekers hebben nu in een nieuwe studie voor de allereerste keer mogelijke neutrino’s gedetecteerd met behulp van de Zwitserse Large Hadron Collider (LHC). Het is een enorme mijlpaal en een grote primeur. “Voorafgaand aan dit project waren er nog nooit met behulp van een deeltjesversneller, neutrino’s gezien,” legt onderzoeker Jonathan Feng uit. “Deze belangrijke doorbraak is een stap in de richting van het ontwikkelen van een dieper begrip van deze ongrijpbare deeltjes en de rol die ze spelen in het universum.”

Emulsiedetector
Enkele jaren geleden is er op de LHC een compacte emulsiedetector geïnstalleerd. Deze bestaat uit lood- en wolfraamplaten die worden afgewisseld met lagen emulsie. Tijdens deeltjesexperimenten in de Zwitserse deeltjesversneller, kunnen neutrino’s botsen met kernen in de lood- en wolfraamplaten. Hierbij worden er deeltjes geproduceerd die sporen achterlaten in de emulsielagen. Vervolgens kunnen onderzoekers hieruit informatie afleiden over de energieën van de deeltjes, hun ‘smaakjes’ (voor zover we nu weten, zijn neutrino’s er in drie ‘smaakjes’: muon, elektron en tau) en of het neutrino’s, of antineutrino’s zijn.

Vergelijkbaar met fotografie
Om het wat begrijpelijker te maken: de emulsiedetecor werkt eigenlijk op een vergelijkbare manier als fotografie in het pre-digitale cameratijdperk. Wanneer 35-millimeterfilm wordt blootgesteld aan licht, laten fotonen sporen achter die als patronen verschijnen wanneer de film wordt ontwikkeld. Op dezelfde manier waren de onderzoekers in staat om neutrino-interacties te zien na het verwijderen en ‘ontwikkelen’ van de emulsielagen van de detector.

Tijdens het experiment hebben de onderzoekers zes ‘neutrino-interacties’ geregistreerd in de emulsielagen. En dat verschaft het onderzoeksteam cruciale informatie. “Ten eerste heeft het geverifieerd dat de positie van het instrument tot het ATLAS-interactiepunt (de grootste van de zes detectoren van de LHC heet ATLAS, red.) de juiste locatie is voor het detecteren van botsende neutrino’s,” zegt onderzoeker Jonathan Feng. “Ten tweede hebben we aangetoond dat we met een emulsiedetector neutrino-interacties kunnen waarnemen.”

De emulsiedetector bevindt zich op 480 meter van het ATLAS-interactiepunt. Uit de studie is gebleken dat dit een goede locatie is voor het detecteren van neutrino’s die het gevolg zijn van deeltjesbotsingen. Afbeelding: CERN

Grotere versie
De gebruikte emulsiedetector was van relatief klein formaat en woog bijvoorbeeld slechts 29 kilo. Nu echter uit het onderzoek is gebleken dat de methode werkt, is het team van plan een grotere versie te bouwen. De bedoeling is dat het toekomstige instrument bijna 1100 kilo gaat wegen. “Dit instrument zal veel groter en aanzienlijk gevoeliger zijn,” zegt Feng. Zo hopen de onderzoekers bijvoorbeeld dat deze grotere versie in staat is om onderscheid te maken tussen verschillende neutrino-smaakjes en hun anti-neutrino-tegenhangers kan waarnemen. En dat is een grote stap voorwaarts. In de gehele menselijke geschiedenis zijn er namelijk slechts 10 waarnemingen van enkel tau-neutrino’s geweest. Maar de onderzoekers verwachten dat in de komende drie jaar te kunnen verdubbelen of zelfs te verdrievoudigen.

“Gezien de kracht van de nieuwe detector, verwachten we meer dan 10.000 neutrino-interacties te registreren,” vertelt onderzoeker David Casper. “We zullen de meest energetische neutrino’s die ooit uit een door de mens gemaakte bron zijn voortgekomen, gaan detecteren.”