Een grondige zoektocht naar het steriele neutrino heeft namelijk niets opgeleverd.

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica is heel duidelijk over neutrino’s: de subatomaire, elementaire deeltjes zijn er in drie ‘smaakjes’. Je hebt het elektron-neutrino, het muon-neutrino en het tau-neutrino. Maar toen onderzoekers een paar decennia geleden met deeltjesversnellers in de weer gingen, stuitten ze op een verrassing. “Er werden afwijkingen geregistreerd,” zo vertelt professor Camillo Mariani aan Scientias.nl. En die afwijkingen hintten op het bestaan van een vierde ‘smaakje’. “Het vierde neutrino werd ook wel aangeduid als het steriele neutrino. Waarom steriel? Omdat het niet de interactie aangaat met de andere neutrino’s.”

Zoektocht
Jarenlang leek dit hypothetische elementaire deeltje een goede verklaring te zijn voor wat onderzoekers in die deeltjesversnellers hadden zien gebeuren. Maar bewijs dat het deeltje ook echt bestond, was er niet. Reden genoeg voor Mariani en collega’s om er actief naar op zoek te gaan.

Het bestuderen van subatomaire deeltjes is niet eenvoudig. Zo kunnen onderzoekers neutrino’s niet direct waarnemen. Wat ze wel kunnen zien in detectoren, zijn de deeltjes die ontstaan wanneer neutrino’s in zo’n detector een atoom raken.

De onderzoekers maakten daarvoor gebruik van een met vloeibare argon gevulde tijdprojectiekamer. “Deze tijdprojectiekamer stelt ons in staat om een heel gedetailleerd beeld te krijgen van de interactie tussen deeltjes,” legt Mariani uit. “Je kunt het een beetje vergelijken met de resolutie van een 4k Ultra HD-tv ten opzichte van de resolutie van de dikke beeldbuizen waarmee ik ben opgegroeid. Een hogere resolutie betekent levendigere en gedetailleerde beelden. En als je wilt begrijpen hoe dingen werken, is het altijd goed om meer details tot je beschikking te hebben.” Maar in de fijne details was – toch wel tot teleurstelling van de onderzoekers – geen spoor van het steriele neutrino te vinden. “Het is schokkend dat we geen nieuw deeltje gevonden hebben,” vindt Mariani.

Afwijkingen zijn weer onverklaarbaar
De resultaten zijn in lijn met het Standaardmodel dat zoals gezegd het bestaan van slechts drie neutrino’s voorspelt. Maar de bevindingen nemen niet weg dat onderzoekers tijdens eerdere experimenten iets hebben gezien wat het Standaardmodel niet verklaren kan. “Er moet iets geweest zijn dat ertoe leidde dat in eerdere experimenten afwijkingen werden geregistreerd,” stelt Mariani. “We moeten begrijpen wat dat was. Het was geen steriele neutrino, maar het kan bijvoorbeeld donkere materie zijn geweest of iets anders.”

Zo werkt de wetenschap
En zo leveren de experimenten van Mariani en collega’s eigenlijk meer vragen dan antwoorden op. “Dit is hoe wetenschap werkt,” merkt Mariani nuchter op. “Je onderzoekt iets en je moet bewijzen dat je het bij het juiste eind hebt of er naast zit. Je kunt niet kiezen wat je ontdekt, je observeert en doet objectief verslag van je resultaten. Het zou fijn geweest zijn als we een nieuw deeltje hadden ontdekt en daar vervolgens waarschijnlijk de Nobelprijs mee in de wacht hadden gesleept. Maar dat was niet het geval en hoewel we daar een beetje van balen, hebben we ondertussen wel wat geleerd. In die zin, dat we de voorgaande hypothese hebben ontkracht. We moeten ons nu in blijven zetten om de afwijkingen te kunnen verklaren.”

Andere hypothesen
Alternatieve hypothesen zijn er al wel. Zo wordt er bijvoorbeeld gedacht aan donkere materie. Een andere mogelijkheid is dat het eveneens nog hypothetische Z-prime boson een rol speelt. “De nieuwe data voeren ons weg van de waarschijnlijke verklaringen en wijzen op iets wat veel complexer en interessanter is en dat is heel opwindend,” vindt onderzoeker Sam Zeller.

Steriele neutrino
Daarnaast moet je ook niet gek opkijken als over een paar jaar toch blijkt dat het steriele neutrino er iets mee te maken heeft. Want, zo legt Mariani uit, natuurkundigen hebben een bepaald beeld van het steriele neutrino. En aan de hand daarvan is er nu naar gezocht. Zonder succes. “Het kan betekenen dat de natuur geen steriele neutrino kent. Of dat het steriele neutrino niet opduikt bij de energieën en afstanden waarmee we in onze detector werken (…) Zo is het bijvoorbeeld mogelijk dat het steriele neutrino een veel hogere energie heeft dan gedacht.” In dat scenario kan het steriele neutrino nu ongedetecteerd blijven, maar tijdens toekomstige zoektochten zomaar opduiken.

Het belang van neutrino’s
Wetenschappers laten het er niet bij zitten en zijn vastbesloten de mysteries die neutrino’s omringen te ontrafelen. “We hebben enkele grote, onbeantwoorde vragen in de natuurkunde die we momenteel aan de hand van experimenten het hoofd proberen te bieden,” stelt professor Bonnie Fleming. “En neutrino’s kunnen ons vertellen waar we de antwoorden kunnen vinden. Ik denk dat je, als je wilt weten hoe het universum werkt, neutrino’s moet begrijpen.”

Heel dichtbij
En wie denkt dat het allemaal vrij abstract en een ver-van-mijn-bed-show is, heeft het mis. Eén van de meest prangende vragen die natuurkundigen zich stellen en waarmee neutrino’s ook iets te maken lijken te hebben, is namelijk de vraag waarom wij – en alles wat we om ons heen zien, er is. Die vraag voert ons naar het begin: de oerknal. “Daarbij is net zoveel materie als antimaterie ontstaan,” legt Mariani uit. En wanneer antimateriedeeltjes en materiedeeltjes op elkaar botsen, vernietigen ze elkaar. Aangezien er van beiden evenveel waren, zou je dan ook verwachten dat er vandaag de dag niets is. “Maar door toedoen van één of ander proces is materie gaan domineren. En dus zijn wij hier. Wij moeten begrijpen waarom dat was.” En neutrino’s kunnen de dominantie van materie mogelijk helpen verklaren.

Het is slechts zomaar een voorbeeldje van een grote vraag die te herleiden is naar heel kleine deeltjes. En zo zijn er nog veel meer, zo benadrukt Mariani. “Er zijn talloze fenomenen in onze omgeving waarvan we graag willen weten waarom ze er zijn. Kijk eens om je heen en zie hoe de basale natuurwetten de drijvende kracht zijn achter alles. En wij willen die natuurwetten graag onthullen.” Dat gaat niet zonder slag of stoot, zo blijkt maar weer eens uit de laatste studie van Mariani en collega’s. Maar ook verrassingen en tegenslagen brengen de wetenschap verder. “Het is een beetje verdrietig dat het niet gelukt is om een nieuw deeltje te ontdekken, maar we hebben onze kennis over de natuur vergroot. En dat is heel belangrijk.”