Een experiment diep onder het Kaukasusgebergte vindt minder neutrino’s dan je op grond van de theorie zou verwachten. Zijn steriele neutrino’s daar verantwoordelijk voor?

Neutrino’s: ze blijven de wetenschappelijke gemoederen in beweging brengen. Vorige week schreven we nog over twee Amerikaanse experimenten waarvan het ene een teveel aan neutrino’s denkt te hebben gemeten, terwijl het andere niets geks heeft gezien. Dit bericht draait om een Russische detector die juist mínder neutrino’s heeft gemeten dan verwacht. Zowel het Amerikaanse overschot als het Russisch tekort zou kunnen wijzen op een nieuwe deeltje: een zogenoemd steriel neutrino.

Minder germanium dan verwacht

Het Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST) bevindt zich zo’n 3,5 kilometer onder het Kaukasus-gebergte in Rusland. Bovendien is het lab waar het experiment zich in bevindt omgeven door 60 centimeter speciaal beton en 6 millimeter staal; allemaal om storende invloeden van buitenaf te weren.

Het hart van BEST bestaat uit 26 schijfjes van radioactief chroom die neutrino’s uitzenden. Rond deze schijfjes zit een bol en een cilinder, beide gevuld met vloeibaar gallium, een metaal dat al smelt bij 30 graden Celsius. Wat er dan af en toe hoort te gebeuren, is dat zo’n neutrino een galliumatoomkern omzet in een atoomkern van het element germanium.

Hoe vaak zo’n transformatie plaatsvindt voor een gegeven aanvoer aan neutrino’s, kun je uitrekenen. Maar je kunt het ook meten, door te kijken hoeveel germanium er na een tijdje in het gallium is ontstaan. Dat laatste hebben de BEST-onderzoekers nu gedaan. En ze concluderen: in het gallium ontstaan 20 tot 24 procent mínder germaniumkernen dan je zou verwachten.

Nog geen ontdekking

BEST is niet het eerste experiment dat dit verschijnsel meet. Eerder constateerden de teams achter de experimenten SAGE en GALLEX, die ook gebruikmaakten van gallium, al hetzelfde. BEST kan hun vreemde metingen nu dus bevestigen met een andere opstelling.

Bovendien is de kans dat het resultaat op toeval berust bij BEST kleiner dan bij de genoemde voorgangers. Van een echte ontdekking mag je nog steeds niet spreken; daarvoor ligt de lat binnen deze tak van de wetenschap te hoog. Maar het BEST-resultaat komt er dicht genoeg bij in de buurt om je als fysicus serieus achter de oren te mogen krabben.

Niet in de boekhouding

De grote vraag is vervolgens: waaróm ontstaat er minder germanium dan je zou verwachten? Eén mogelijkheid is dat een deel van de neutrino’s uit de schijfjes chroom een gedaanteverwisseling ondergaat. Ze veranderen dan van een gewoon neutrino – voor zover je bij neutrino’s ooit van gewoon kunt spreken – in een steriel neutrino. En een steriel neutrino kan geen gallium in germanium veranderen.

Sterker nog: een steriel neutrino kan zo goed als niets. Deze hypothetische deeltjes hebben op geen enkele manier interactie met andere deeltjes. De enige manier waarop ze invloed uitoefenen op hun omgeving, is via de zwaartekracht – en die kracht is zo zwak, dat hij op deeltjesschaal geen rol speelt.

Die extreme verlegenheid maakt steriele neutrino’s zo goed als onmeetbaar. Tenzij dus af en toe een gewoon neutrino in zo’n steriel neutrino verandert. En daardoor vervolgens ontbreekt in de boekhouding van een experiment als SAGE, GALLEX of BEST.

Nogal een uitdaging

Nu kan het natuurlijk ook zo zijn dat hier iets heel anders aan de hand is. Maar uit de wetenschappelijke artikelen over het BEST-resultaat blijkt wel dat de onderzoekers zelf geen idee hebben wat dat ‘iets’ dan zou moeten zijn. “Andere verklaringen zonder steriele neutrino’s zijn mogelijk, maar dan zou er sprake moeten zijn van een of ander fundamentele misvatting binnen de kern- of atoomfysica”, schrijven ze in het tijdschrift Physical Review C.

Voor toekomstige experimenten met gallium zou je eigenlijk aan de slag willen gaan met een compactere, en dus krachtigere bron van neutrino’s, schrijven de onderzoekers verder. Dan zou namelijk de binnenkant van de bol met vloeibaar gallium dichter bij de neutrinobron kunnen zitten, en kun je over kortere afstanden bekijken hoeveel gallium de neutrino’s in germanium weten om te zetten. Maar dat is volgens het BEST-team nogal een uitdaging.

De vinger erop

Toch lijkt het erg de moeite waard om dit type onderzoek voort te zetten. Of het nu iets te maken heeft met steriele neutrino’s of niet: er is iets geks aan de hand in verschillende neutrino-experimenten. En wie weet wat het ons gaat brengen als natuurkundigen daar de vinger op weten te krijgen.