Voor het eerst ‘spookdeeltjes’ gespot in een deeltjesversneller

De ontdekking belooft natuurkundigen te helpen de aard van deze ongrijpbare neutrino’s te doorgronden.

Neutrino’s zijn eigenlijk hele gekke dingen. Het zijn fundamentele deeltjes, maar trekken zich zo goed als niets van andere deeltjes aan. Op dit moment reizen ze dan ook met miljarden door jouw lichaam, zonder dat je daar iets van merkt. Toch zijn onderzoekers er nu in geslaagd dit ongrijpbare ‘spookdeeltje’ iets meer grijpbaar te maken. Want voor het eerst hebben ze neutrino’s gespot in een deeltjesversneller.

Wat zijn neutrino’s?
Neutrino’s zijn raadselachtige subatomaire deeltjes, die geen sterke interactie hebben met normale materie. De vreemde deeltjes werden in 1956 voor het eerst waargenomen. Ondertussen weten we dat de neutrino het meest voorkomende deeltje in de kosmos is en een belangrijke rol speelt in het proces dat sterren laat schitteren. Voor zover we nu weten, zijn deze neutrino’s er in drie ‘smaakjes’: je hebt muon-, elektron- en tau-neutrino’s. Bekend is dat neutrino’s terwijl ze reizen in een ander smaakje kunnen veranderen. Zo werd in 2013 voor het eerst aangetoond dat een muon-neutrino in een elektron-neutrino veranderde.

Onderzoekers detecteerde het ‘spookdeeltje’ gedurende een experiment in de Large Hadron Collider, de grootste en krachtigste deeltjesversneller op aarde. In de deeltjesversneller worden protonen versneld en vervolgens met elkaar in botsing gebracht. Daarbij ontstaan nieuwe deeltjes – die vaak slechts uitermate kort standhouden. Het doel is om de eigenschappen van die deeltjes te registreren, de deeltjes aan de hand daarvan te identificeren en zo bestaande theorieën binnen de deeltjesfysica te toetsen en waar nodig aan te vullen of te herzien.

Neutrino’s
En nu is het dus voor het eerst gelukt om een neutrino die door een deeltjesversneller is gemaakt, ook daadwerkelijk te detecteren. “We hebben nu neutrino’s ontdekt uit een geheel nieuwe bron, namelijk een deeltjesversneller,” zegt onderzoeker Jonathan Feng. En dat is een belangrijke wetenschappelijke primeur. “Neutrino’s zijn al tientallen jaren bekend,” legt onderzoeker Felix Kling uit. “Ze zijn bovendien erg belangrijk geweest voor het vormgeven van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Eerder was er echter nog nooit een neutrino in een deeltjesversneller gedetecteerd. Dat we er nu toch in geslaagd zijn deze deeltjes tijdens ons experiment waar te nemen, betekent dat het volledige fysische potentieel van de versneller eindelijk kan worden benut.”

FASER
De onderzoekers detecteerden de neutrino’s met behulp van FASER (Forward Search Experiment); een deeltjesdetector ontworpen en gebouwd door een internationale groep natuurkundigen en geïnstalleerd in de Large Hadron Collider.

De FASER-detector bevindt zich diep onder de grond in een zijtunnel van de Large Hadron Collider. Hij bevindt zich nabij de ATLAS-detector. FASER is grotendeels gebouwd met reserveonderdelen van andere experimenten bij CERN. Afbeelding: CERN

FASER is nieuw en uniek onder de deeltjesdetectie-experimenten. In tegenstelling tot andere detectoren bij CERN, zoals ATLAS, die meerdere verdiepingen hoog is en duizenden tonnen weegt, is FASER ongeveer een ton en past netjes in een kleine zijtunnel. Bovendien kostte het slechts een paar jaar om ‘m te ontwerpen en te bouwen. En dat ook nog eens met enkel reserveonderdelen van andere experimenten. Ondanks dat, heeft FASER nu een ongelofelijk belangrijke rol gespeeld om de bijzonder mystieke neutrino beter te doorgronden.

Hoge energie
Wat met name zo interessant is aan de nieuw gedetecteerde deeltjes, is hun energetische toestand. De meeste neutrino’s die tot dusver door natuurkundigen zijn bestudeerd, waren laagenergetisch. Maar de nieuw gedetecteerde neutrino’s hebben de hoogste energie die ooit in een laboratorium is geproduceerd. Ze zijn zelfs vergelijkbaar met de exemplaren die af en toe vanuit de ruimte op onze atmosfeer regenen. “Dit betekent dat de nieuw gedetecteerde deeltjes ons meer kunnen vertellen over de verre ruimte,” zegt onderzoeker Jamie Boyd. “Deze hoogenergetische neutrino’s zijn belangrijk voor het begrijpen van echt opwindende waarnemingen in de deeltjesastrofysica.”

Nieuw tijdperk
De ontdekking van de neutrino’s is een belangrijke stap voorwaarts. Het belooft het begrip van wetenschappers over de aard van deze spookdeeltjes verder uit te breiden. Deze eerste waarneming van neutrino’s in een deeltjesversneller markeert dan ook het begin van onderzoek naar dergelijke ‘collider-neutrino’s’. Het stelt wetenschappers in staat fenomenen te onderzoeken die tot nu toe ontoegankelijk waren. Volgens Kling luidt de ontdekking dan ook een nieuw tijdperk in. “In een volgend project pakken we door,” zegt hij. “Dan gaan we met behulp van grotere detectoren miljoenen neutrino’s detecteren.”

Overigens wordt FASER nog niet opzijgeschoven. Naast neutrino’s is één van de andere hoofddoelen van de detector het helpen identificeren van de deeltjes waaruit donkere materie bestaat (waarvan natuurkundigen denken dat het de meeste materie in het universum omvat, maar die ze nooit rechtstreeks hebben waargenomen). FASER moet nog tekenen van donkere materie vinden. Over enkele maanden wordt de Large Hadron Collider echter opnieuw opgestart. En dan zal FASER klaarstaan om alles wat verschijnt, te ‘vangen’. “We hopen enkele opwindende signalen te zien,” besluit Boyd.

Wist je dat…
…neutrino’s weleens de reden kunnen zijn dat wij bestaan? De huidige natuurkundige wetten kunnen niet helemaal verklaren waarom wij bestaan. Neutrino’s zijn mogelijk het antwoord. Deze kleinste deeltjes in het universum zouden ons weleens gered kunnen hebben van volledige verwoesting. Lees hier snel verder!

Bronmateriaal

"Research team detects first neutrinos made by a particle collider" - Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY
"UC Irvine-led team is first to detect neutrinos made by a particle collider" - University of California
Afbeelding bovenaan dit artikel: CERN

Fout gevonden?

Voor jou geselecteerd