FYI.

This story is over 5 years old.

Tech

Het T2K experiment in Japan heeft voor het eerst antineutrino's gedetecteerd

Door de antwoorden die we vinden door dit experiment proberen we te begrijpen waarom het hele universum in zijn vroege jaren niet in een gigantische nucleaire ontploffing is vernietigd.

Afbeelding: T2K

Afgelopen week kondigden natuurkundigen die werken aan het T2K (Tokai to Kamioka) neutrino-experiment aan dat de ze de eerste antineutrinodetecties hebben voltooid. De detecties werden opgevangen aan één uiteinde van een neutrinostraal van 279 kilometer, uitgezonden over bijna de hele breedte van Japan. De observaties brengen de wetenschappers in de woorden van de woordvoerder van het experiment, Chang Kee Jung, dichter bij de "heilige graal van neutrinofysica." Die heilige graal belooft een antwoord op het bestaan van het universum, of beter gezegd, haar overleving. Het is een grote vraag waarom het universum niet weggevaagd is door haar eigen interacties tussen materie en antimaterie. Met andere woorden, een antwoord op hoe we eigenlijk kunnen bestaan.

Advertentie

De meest recente fase van het experiment begon in mei vorig jaar. Toen werd de lange-afstands muon antineutrinostraal tussen de Super-Kamiokande (Super-K) detector aan de westkust en het J-PARC centrum aan de oostkust aangezet. Muonen en (anti-)neutrino's zijn onderdelen van het standaardmodel van elementaire deeltjes, de kleinst mogelijke onderdelen die bestaan in het universum. Vorige maand werd de straal uitgezet, waardoor de wetenschappers met de eerste tien procent van de uiteindelijke beoogde data aan de slag konden gaan. In de eerste fase, die liep tussen 2010 en 2013, werkte de straal in neutrino (niet in anti-) modus.

De natuurkunde achter neutrino's is vreemd. Er bestaan ten eerste drie verschillende soorten ("smaken") van de ultralichte deeltjes. Alle smaken (elektron neutrino's, tau neutrino's en muon neutrino's) worden in dezelfde reacties gemaakt als elektronen, tau's en muonen. Alle soorten neutrino's kunnen echter zo oscilleren (trillen) dat ze in een andere soort kunnen veranderen. Omdat deze oscillaties afhankelijk zijn van de afstand die de deeltjes afleggen worden ze meegestuurd met een 279 kilometer lange straal, dwars door de bergen. Het idee achter het T2K experiment is dus het observeren van deze oscillaties terwijl ze door de aarde richting een detector vliegen. Omdat neutrino's alleen met het universum reageren via de zwakke kernkracht maakt het niet zoveel uit of ze door een massieve muur heen gaan of door een vacuum.

Advertentie

Maar waarom heeft dit in hemelsnaam iets te maken met het bestaan van het universum? Nou, neutrino's kunnen ons misschien een antwoord geven op het mysterie van de onbalans tussen materie en antimaterie. De natuurkunde vertelt ons dat materie hand in hand wordt gecreëerd met antimaterie. Als ik dus nu een elektron maak, krijg ik er ook een positron bij. Dat is een alles-in-een pakketje. Maar als alle materie en antimaterie in dezelfde mate gevormd werden, zou alle materie in het vroege universum door een even grote hoeveelheid antimaterie teniet worden gedaan. Stel je een megaterrorsharknado kernbom voor keer tien miljard.

Zodra je materie en antimaterie bij elkaar plaats vernietigen ze elkaar, en toch is dat niet gebeurd. Er is dus een bepaalde mate van onbalans, een asymmetrie tussen de tegenstellingen. Dit staat bekend CP schending (van charge conjugation en parity) en door het observeren van (anti-)neutrino oscillaties die diep onder de Japanse grond heen schieten, hopen we dat het verschil tussen de twee duidelijk wordt. Als bijvoorbeeld de antineutrino's met een andere frequentie oscilleren dan de neutrino's zou dat een fundamenteel verschil tussen de deeltjes aangeven. Daarvoor moeten de oscillaties echter wel eerst gevonden worden.

Dat liet de eerste fase van het T2K experiment in ieder geval al met veel zekerheid zien. De oscillaties vinden plaats. Bij de Super-K detector werden 28 verschillende gebeurtenissen – interacties tussen elektronen en neutrino's – geregistreerd. Als de neutrino's niet hadden geoscilleerd zoals we verwacht hadden, zouden dat er maar 5 zijn geweest.

Advertentie

"Veel van de interacties van muon neutrino's produceren muonen, terwijl de interacties van elektron neutrino's juist elektronen voortbrengen," legt de site van T2K uit.

De Super-K detector bijna volledig gevuld met water Afbeelding: T2K

"Muonen en elektronen zijn geladen deeltjes die andere elektronen verplaatsen als ze zich verplaatsen door een bepaald medium. De detector is daarom in essentie gewoon een gigantische bak met heel schoon water, en erg gevoelige meetapparatuur. Zodra aangeslagen (door de geladen deeltjes) elektronen terugvallen naar hun beginpositie zenden ze licht uit. Als het geladen deeltje (ontstaan uit een neutrino interactie) nou sneller dan de snelheid van het licht in water (¾ van de lichtsnelheid in vacuum) gaat, wordt het uitgezonden licht verstuurd in een kegel. Die kegel staat bekend als Cerenkov-straling. De muren van de Super K kunnen met behulp van tienduizend lichtsensoren die radiatiekegel detecteren en vervolgens bepalen op het over muonen (scherp licht) of elektronen (meer verstrooid licht) gaat."

De drie detecties van afgelopen week zijn slechts een voorproefje van wat gaat komen. Deze herfst zal de straal weer gaan vuren en in de tussentijd blijven de fysici bij T2K data vergaren. Voor de beste antwoorden zullen waarschijnlijk nog moeten wachten op de bouw van het 1287 kilometer lange DUNE project, maar misschien lukt het al met de GADZOOKS! upgrade van de Super-K.

We zijn op zoek naar stagiairs die graag willen schrijven over alles wat met menselijke vooruitgang te maken heeft. Mail alejandro.tauber{at}vice.com** *voor info!***