Neutrino's

Om de hoge-energie deeltjes te ontdekken die uit neutrinointeractie voortvloeien, detecteerd super-Kamiokande een fenomeen dat als licht van Cherenkov bekend staat.

De geladen deeltjes (enkel de geladen deeltjes) steken het water over met een snelheid groter dan 75% van de snelheid van het licht in een kegelpatroon rond de richting van het spoor uit, zoals bij linkerzijde. Het blauwachtige Cherenkov-licht wordt overgebracht door het hoogst-zuivere water van de tank, en daalt uiteindelijk op de binnenmuur van de detector af, die met photo-multiplier buizen (PMT'S) uitgerust is. Deze PMT'S zijn elk gevoelig voor verlichting door één enkel foton van licht - een lichtniveau ongeveer overeenkomstig als het licht zichtbaar vanop de aarde van een kaars bij de afstand van de maan!

Lees meer …

Neutrino's zijn één van de fundamentele deeltjes die het heelal maken. Zij zijn ook één van meest minst begrepen deeltjes.

Lees meer …

Wat is de neutrino massa?

Eigenlijk kunnen wij dit niet met zekerheid zeggen. De techniek die door de Super-Kamiokande (neutrinoschommelingen) wordt gebruikt vertelt ons niet de massa maar slechts het verschil in massa tussen twee verschillende soorten neutrino's. Nochtans, als er een verschil is in massa tussen twee soorten neutrino's, moet minstens één type (en waarschijnlijk elk van de neutrino's) niet-nul zijn.

Van een praktisch standpunt, geeft het verschil in massa, die wij hebben gemeten, ons een goede aanwijzing van wat de benaderende massa van neutrino's is. De zwaarste neutrino heeft waarschijnlijk een massa van ongeveer 0,05 elektronenvolts, of ongeveer één miljardste van de massa van een proton.

Hoe kan je er zeker van zijn dat neutrino's massa hebben?

In de wetenschap, is het een gegeven dat nieuw bewijsmateriaal eventueel kan gevonden worden dat onze manier van denken verandert, wetenschappers geven zelden toe dat ze absoluut zeker zijn toe over zeer veel dingen, vooral bij nieuwe ontdekkingen. Nochtans in dit geval, zijn wij vrij zeker dat neutrino's massa hebben. Het fenomeen van neutrinoschommeling dat wij waarnemen is slechts mogelijk als neutrino's massa hebben. Vijf verschillende types van gegevens, met inbegrip van de data van neutrino's die op Aarde en in de Zon aangemaakt worden, tonen de kenmerken van deze schommeling. Alle vijf gegevensreeksen zijn onafhankelijk geanalyseerd door twee groepen binnen het experiment, om de kans van experimentele fouten te verminderen. In alle gevallen, vonden de onafhankelijke groepen overeenstemmende resultaten met elkaar. De kans van al deze gevolgen, die toe te schrijven zijn aan een statistische schommeling (d.w.z. willekeurige kans), is veel minder dan 1%. Een verscheidenheid van theoretische voorspellingen is getest, en de neutrinoschommelingen (en vandaar neutrinomassa) lijken geschikt om onze gegevens te verklaren.

Wat is "ontbrekende massa" en "Donkere materie"?

De ontbrekende massa en de donkere materie zijn twee termen die worden gebruikt om in verwarring brengende observaties in de astronomie te verklaren. In observaties van verre melkwegen, schijnt er meer gravitatie aantrekkingskracht te zijn tussen nabijgelegen melkwegen, en tussen de binnen- en buitendelen van individuele melkwegen, dan door de zichtbare voorwerpen (sterren) die die de galaxieën bevatten. Aangezien graviteit het resultaat is van aantrekking tussen massa's, blijkt het daarom dat er wat ongeziene (ontbrekende) massa is di ezich aan de gravitatiekrachten toevoegt. Aangezien deze massa geen licht uitzend (anders zou het niet missen... ) wordt het ook donkere materie genoemd.

Zijn neutrino's de ontbrekende massa in het heelal?

Neutrino's zijn vaak als mogelijke bronnen van bovenmatige gravitatiekrachten voorgesteld die in verre galaxiën worden waargenomen, maar zij kunnen slechts een rol spelen als zij massa hebben. Een enorme hoeveelheid neutrino's moet in de eerste momenten na de Big Bang veroorzaakt zijn. Deze overblijfselneutrino's zijn niet direct ontdekt, maar een gelijkaardige "zee" van photonenrest van de Big Bang werd ontdekt in 1965 door Penzias en Wilson, en is sindsdien in detail bestudeerd (dit is de zogenaamde microgolf achtergrondstraling).

Nu het bestaan van een neutrinomassa, en een raming van zijn waarde, gekend is, zullen er zonder twijfel vernieuwde studies van de kosmologische invloed van neutrino's zijn. Men kan met wat vertrouwen zeggen dat de kleine neutrinomassa's die door de gegevens worden vermeld waarschijnlijk niet genoeg zijn om alle ontbrekende massa te berekenen. Nochtans, zal de theoretische berekening de gevolgen van massieve neutrino's niet meer moeten speculeren over de vraag of neutrino's massa hebben.

Waarom is het experiment ondergronds?

De zelfde kosmische stralingsreacties in de hogere atmosfeerlagen die de atmosferische neutrino's produceren, die door Super-Kamiokande ook worden gemeten, produceren deeltjes die muonen genoemd worden. Als het experiment aan de oppervlakte van de aarde was, zouden immens veel van deze kosmische stralingsdeeltjes door de detector vliegen dat het onmogelijk zou zijn om iets anders waar te nemen. Muonen worden geladen, en terwijl zij bijna geen materie effectief doordringen, hebben ze soms voldoende energie om aanzienlijke diepten te bereiken. Zelfs op ongeveer 1 km ondergronds, telt super-Kamiokande ongeveer drie dergelijke deeltjes per seconde die door de super-Kamiokande vliegen. Maar door ondergronds te gaan, zorgen wij ervoor dat 99,9% van deze muons uit de rots boven ons worden gefilterd.

Wat zijn de praktische toepassingen op dit werk?

De eigenlijke aard van neutrino's maakt praktische toepassingen in de toekomst onwaarschijnlijk. Het doel van het experiment is de menselijke verstandshouding van de fundamentele bouwstenen van de natuur, en de interactie tussen deze bouwstenen, te verbeteren. Bovendien moeten neutrino's een rol spelen in de ontwikkeling van galaxieën (en vandaar uiteindelijk sterren en planeten) en de voortdurende evolutie van de kosmos, een rol die voorafgaand aan de ontdekking van hun massa kan onderschat zijn.

Wat betekent het allemaal?

Deeltjesfysica

Terwijl het Standaardmodel, dat zeer nauwkeurig de interactie van elementaire deeltjes beschrijft, absoluut niet zal moeten worden herschreven, zullen er minder dramatische gevolgen zijn. De kwestie van hoe de deeltjes massa verwerven is één van de grootste onopgeloste geheimen van elementaire deeltjesfysica. Van neutrino's werd verondersteld dat dit de enige fundamentele constituent van de natuur te zijn geen massa had. Gezien deze ontdekking, zal dat al lang bestaande geloof moeten worden herzien. Nochtans, "voorspelt" het Standaardmodel zelf op één of andere manier of neutrino's al dan niet massa hebben. Dit is in feite één van de universeel erkende tekortkomingen van het Standaardmodel, en waarom de meeste fysici dit betwijfelen is het de volledige, definitieve theorie. Een echt volledige theorie zou de massa's van de elementaire deeltjes voorspellen in plaats van het te vereisen als invoeging.

De gevolgen van de zeer kleine neutrinomassa zullen impliciet door het resultaat van de super-Kamiokande, waarschijnlijk in termen van de kwantitatieve voorspellingen van het Standaardmodel, minimaal worden beïnvloed. Veelbelovend is het vooruitzicht dat de kennis van het bestaan van neutrinomassa's, en een raming van hun omvang, op de grotere kwestie licht zullen afwerpen van hoe de deeltjes de massa verkrijgen die zij hebben. Met de ontdekking van neutrinomassa, blijkt het nu dat de massa een gemeenschappelijk bezit is voor alle materie - dat op zichzelf een opzienbare ontdekking is.

Kosmologie

Het probleem van ontbrekende massa of donkere materie heeft wijdverspreide belangsteling ontvangen. In waarnemingsastronomie, zijn de gravitatieinvloeden duidelijk, in en om galaxieën, die die verwachte zichtbare materie (d.w.z. sterren) overschrijden. Neutrino's worden voorgesteld als één bron van deze gravitatie, maar de kleine neutrinomassa's kunnen, door het resultaat van de super-Kamiokande, ontoereikend zijn om van allen, of zelfs van de meeste, het rekenschap te geven. Waarschijnlijker is de vernieuwde theoretische aandacht aan de kosmologische gevolgen van neutrino's met massa. Ten minste, is neutrino de eerste ernstige donkere materiekandidaat van de deeltjesfysica die eigenlijk gekend wordt om te bestaan.

Men heeft ook voorgesteld dat neutrino's een rol spelen in het katalyseren van de fundamentele dichtheidsschommelingen die uiteindelijk in galaxieën groeiden. Deze vraag zal ook waarschijnlijk vernieuwde aandacht, sinds neutrinomassa, krijgen - een eerste vereiste voor om het even welke invloed van deze soort, die zich uit het koninkrijk van speculatie bewogen heeft.

a) Een neutrino identiteitscrisis

De vreemde verdwijning van zowel atmosferische muon-neutrino's als zonne-elektronenneutrino's kan zich als een proces van "neutrinoschommeling" of "neutrino-oscillatie" verstaan worden. Wat dat betekent is dat, gezien de juiste voorwaarden, een neutrino van één type in één van een verschillend type kan veranderen; als alle drie de neutrino's een massa van nul, of zelfs de zelfde massa van om het even welke waarde hebben, zou dit niet toegestaan worden.

Als neutrino's massa hebben en daarom van type kunnen veranderen, zouden zowel de atmosferische- als zonneneutrino-problemen kunnen worden opgelost. Dit is omdat muon-neutrino's van de atmosfeer die in tau-neutrino's oscilleren (in een praktische betekenis) experimenteel niet op te sporen zouden zijn. Op dezelfde manier als elektronenneutrino's van de Zon, in muon of tau neutrino's veranderen, zullen zij ook op elkaar inwerken aan een beduidend lager tarief.

b) Waarom oscillatie of schommeling?

De term neutrino "schommeling" werd gekozen omdat de overgang tussen de neutrinotypes niet in een rechte lijn loopt. Met andere woorden, zal een muon-neutrino die in het tau-type wordt getransformeerd eigenlijk afwisselend getransformeerd worden als het verder reist. Dit proces is een probabilistisch gevolg van quantummechanica. Gezien een neutrino die als bepaald type na het reizen van een bepaalde afstand wordt geproduceerd, zal een neutrino een mengsel van twee (of drie) type's worden. Een strenge wiskundige verklaring van neutrinoschommeling is voorbij het werkingsgebied van deze inleiding, maar de overzichten kunnen voor het vereenvoudigde geval worden geschetst waar er slechts twee neutrino's bij het proces zijn betrokken. Het is geen gemakkelijk fenomeen om te verklaren zonder dat het zijn toevlucht neemt tot de wiskunde.

Het is al langer bekend dat de materiedeeltje, in sommige omstandigheden, verwant is aan golven (het effect is waargenomen voor elektronen en vele andere vertrouwde deeltjes). Wanneer de deeltjes zich als golven gedragen, stellen zij een soort frequentie tentoon die aan hun energie evenredig is. Normaal is dit gedrag onbelangrijk, aangezien geen fysisch waarneembare hoeveelheid afhangt of het deeltje bij een piek of langs een trog "materiegolf" doorkomt.

c) Het vangen van de golf

De situatie verandert echter als één golf "interferentie" met een andere kan ondergaan. De interferentie heeft een zeer specifieke betekenis met betrekking tot golfgedrag, dit voegt de betekenissen van één "piek" van de golf toe met de "pieken" van een andere golf om een nog grotere piek ("constructieve interferentie") te veroorzaken, of de pieken van één golf toe te voegen samen met de troggen van een andere golf om beide golven ("vernietigende interferentie") te compenseren. Wanneer twee golven zich naar elkaar toe bewegen zich op deze wijze toevoegen of aftrekt, is er nog geen dramatisch effect als de golven de zelfde golflengte (of frequentie) hebben, aangezien in dat geval de resulterende golf eenvoudiger een groter of kleiner exemplaar van het originele is.

Als enerzijds de mengende golven verschillende frequenties hebben, is de resulterende golf geen vergrote of verminderde versie van één van beiden van de originele golven. In feite, heeft de resulterende golf geen welomlijnde golflengte; op sommige punten mengen de twee golven zich constructief, en bij anderen mengen zij zich destructief. Op punten waar één golf nul is (d.w.z. het snel toenemen of afnemen) en de andere op een minimum of maximum is (d.w.z. dat het ongeveer vlak is), schijnt de gecombineerde golf de frequentie van de eerste golf te hebben. Op andere punten, wordt de situatie omgekeerd en de gecombineerde golf heeft een frequentie dicht bij dat van de tweede golf. De frequentie waarbij dit fenomeen herhaalt is verwant met het rekenkundige verschil in de twee originele frequenties. Inderdaad verandert de gecombineerde golf zijn gedrag van het als één golf zijn, in het zijn als een andere golf met een nieuwe frequentie, gelijk aan het verschil in de individuele frequenties. In het geval van een materiegolf, waar het deeltje een massa heeft dat veel kleiner is dan zijn energie, kan men tonen dat de frequentie aan het vierkant van de massa evenredig is, dat door de impuls wordt verdeeld.

d) Wat is interfering?

Dit is vrij gelijkaardig aan neutrinoschommeling (golven die afwisselend tussen verschillende kenmerken afwisselen). Het klinkt groot, behalve als een bepaalde neutrino één materiegolf heeft, waar is dan de andere materie die zich erin mengt om dit heen en weer floepen te produceren? Het antwoord is dat (in ons vereenvoudigd geval van twee neutrino's) neutrino's eigenlijk zich in elkaar mengen. Op een andere manier, een neutrino kan niet als één enkele golf verspreiden, maar als voorverpakte combinatie van de twee verspreiden. De reden is dat neutrino's in zwakke interactie, of als elektronenneutrino, een muon-neutrino, of een tau neutrino worden geproduceerd. Maar wat als een elektronenneutrino zelf als één van onze gecombineerde golven handelt? Namelijk wat als een elektronenneutrino heeft geen welomlijnde massa, maar in plaats daarvan handelt als onze schizofrenische golf?

e) Het door elkaar mengen

Dat is de veronderstelling van neutrinoschommeling; een elektronenneutrino, wanneer deze is geproduceerd moet in een quantum mechanische staat zijn die, inderdaad twee verschillende massa's heeft. Een muon-neutrino is een gelijkaardig, bijkomend mengsel van de twee massa's. Omgekeerd, moet een neutrino met precies één, welomlijnde massa een mengsel van elektron en muon neutrino's zijn. Wanneer een elektronenneutrino (en zijn gecombineerde materiegolf) worden veroorzaakt en zich beginnen te verspreiden, mengen de twee verschillende massawaarden zich in elkaar. Afhankelijk van het verschil in frequentie tussen de twee golven, zal de aanvankelijke elektronenneutrino gecombineerde golf soms overheerst worden door de één of andere golvensubcomponenten die een specifieke massa en een frequentie hebben. Maar als een neutrino met een welomlijnde massa een mengsel van zowel elektron als muon neutrino's is (deze preconditie voor schommeling wordt genoemd "het door elkaar mengen"), wat als zuivere elektronenneutrino met een mengsel van massa's begon een neutrino met een zuivere massa en een mengsel van elektronenneutrino en muon neutrino-eigenschappen is geworden. In feite kan de gecombineerde de materiegolf van elektronenneutrino's, zoals de twee componenten van de materiegolf met verschillende massa's onregelmatig toevoegen met elkaar en zich verwijderen, en kan op sommige momenten zeer dicht de gecombineerde muon materiegolf naderen. Als neutrino een punt op elkaar inwerkt waar het niet in een welomlijnde definitieve staat is van een elektronenneutrino of een muon-neutrino, welkéén het gedraagt op het moment dat iemand het raad.

f) Conclusie of Verwarring?

Bovengenoemd is een poging om de aannemelijkheid van het idee van neutrinoschommelingen en de implicatie van ongelijke (en vandaar niet-nul) neutrinomassa te schetsen als het fenomeen wordt waargenomen. Het kan de sceptische lezer geruststellen om te weten dat een hoofdzakelijk identiek scenario interferentie/menging/oscillatie in feite experimenteel 20 jaar tussen twee andere subatomische deeltjes, kaons genoemd, is waargenomen. Er is geen vraag dat als neutrino verschillende (niet-nul) massa's heeft, en als zij zich mengen zodat elke neutrino een mengsel van twee of meer verschillende massa's vertegenwoordigt, neutrino schommelingen zal voorkomen. Op dezelfde manier is er geen bekend of ingebeeld mechanisme waardoor neutrino's zonder massa zouden oscilleren.

De super-Kamiokande detector is een ondergronds gevestigde 50.000 ton wegende tank water (op ongeveer 1 km diepte). Het water in de tank doet dienst als voor neutrino's, als de detectie van de bijproducten van neutrinointeractie.

Lees meer …

• 1931 - een hypothetisch deeltje wordt voorspeld door theorist Wolfgang Pauli. Pauli baseerde zijn voorspelling op het feit dat de energie en de impuls niet kon worden behouden in een bepaald radioactief bederf. Pauli stelde voor dat deze ontbrekende energie onzichtbaar weg zou kunnen worden gedragen door een neutraal deeltje dat aan de detectie ontsnapte, een gewaagd idee.
  
• 1934 - Fermi van Enrico ontwikkelt een uitvoerige theorie van radioactief bederf, met inbegrip van het hypothetische deeltje van Paul. Met de neutrino inclusief, verklaart Fermi's theorie vele waargenomen experimentele resultaten.
• 1959 - De ontdekking van een deeltje dat de binnen verwachte kenmerken van een neutrino past wordt aangekondigd door Clyde Cowan en Fred Reines (een mede-oprichter van super-Kamiokande; professor UCI emeritus en ontving de Nobelprijs van 1995 in fysica voor zijn bijdrage tot de ontdekking). Dit neutrino werd later bepaald om de partner van het elektron te zijn.
• 1962 - De experimenten bij Nationaal Laboratorium Brookhaven en CERN, het Europese Laboratorium voor Kernfysica maken een verrassende ontdekking: neutrino's geproduceerd in associatie met muons gedragen zich niet hetzelfde als deze geproduceerd met elektronen. In feite hebben ze een tweede type van neutrino ontdekt, de muon-neutrino.
• 1968 - het eerste experiment om (elektronen) neutrino's te ontdekken die door de brandende Zon wordt geproduceerd (gebruikmakend van een ondergronds reservoir van chloor) rapporteert dat slechts de helft van de verwachte neutrino's waargenomen worden. Dit is de oorsprong van het al lang bestaande "zonneneutrinoprobleem." De mogelijkheid dat de missende elektronenneutrino's getransformeerd werden in een ander niet op te sporen type (niet detecteerbaar in dit experiment), werd al snel voorgesteld, maar de onbetrouwbaarheid van het zonnemodel waarop de verwachte neutrinowaarden gebaseerd waren wordt aanvankelijk beschouwd als een meer waarschijnlijke verklaring.
• 1978 - Het tau-deeltje wordt ontdekt bij SLAC, het Stanford Linear Accelerator Center. Het wordt spoedig erkend om een zwaardere versie van het elektron en muon te zijn, en zijn bederf stelt de zelfde duidelijke onevenwichtigheid van energie en impuls tentoon die Pauli ertoe bracht om het bestaan van neutrino in 1931 te voorspellen. Het bestaan van een derde neutrino verbonden aan tau wordt vandaar geconcludeerd, hoewel dit neutrino niet direct werd waargenomen.
• 1985 - Het IMB-experiment, een grote waterdetector zoekend naar protonbederf maar dat ook neutrino's ontdekt, merkt op dat er minder muon-neutrinointeractie wordt waargenomen dan verwacht. De anomalie is aanvankelijk aangenomen om een fout van detectorondoelmatigheden te zijn.
• 1985 - een Russisch team meldt voor het eerst een meting van een niet-nul neutrinomassa. De massa is uiterst klein (10.000 keer minder dan de massa van het elektron), maar de verdere pogingen om de meting te reproduceren slagen niet.
• 1987 - Kamiokande, een andere grote waterdetector die naar protonbederf zoekt, en IMB detecteren een gelijktijdige uitbarsting van neutrino's van Supernova 1987A.
• 1988 - Kamiokande, een andere waterdetector die protonbederf zoekt maar beter in staat is om muon-neutrinointeractie van die van elektronenneutrino te onderscheiden, rapporteert dat zij slechts ongeveer 60% van het verwachte aantal muon-neutrinointeractie waarneemt.
• 1989 - Frejus- en NUSEX-experimenten, veel kleiner dan Kamiokande of IMB, en het gebruiken van ijzer in plaats van water als neutrinodoel, melden geen tekort van muon-neutrinointeractie.
• 1989 - De experimenten bij CERN'S Grote Elektron-Positon (LEP)-versneller bepalen dat geen extra neutrino's voorbij de drie reeds gekende kunnen bestaan.
• 1989 - Kamiokande wordt het tweede experiment om neutrino's van de Zon te ontdekken, en bevestigt de al lang bestaande anomalie door ongeveer slechts 1/3 te vinden het verwachte aantal.
• 1990 - na een verbetering die de capaciteit verbetert om muon-neutrinointeractie te identificeren, bevestigt IMB het tekort van de interactie van muon neutrino die door Kamiokande worden gemeld.
• 1994 - Kamiokande vindt een tekort van hoge-energie muon-neutrinointeractie. Muon-neutrino's die de grootste afstanden reizen van het productiepunt naar de detector tonen de grootste uitputting aan.
• 1994 - Kamiokande en de IMB-groepen werken samen om de capaciteit van waterdetectors te testen en te onderscheiden van muon- en elektron-neutrinointeractie, gebruikmakend van een teststraal bij het KEK versnellerlaboratorium. De resultaten bevestigen de geldigheid van vroegere metingen. De twee groepen zullen de kern van het super-Kamiokande project gaan vormen.
• 1996 - de detector super-Kamiokande begint met metingen.
• 1997 - het Soedan-II experiment wordt de eerste ijzerdetector om de verdwijning van muon-neutrino's waar te nemen. Het verdwijningsaantal gaat akkoord met hetgeen dat waargenomen werd door Kamiokande en IMB.
• 1997 - super-Kamiokande meldt een tekort van kosmische straal muon neutrino's en zonne-elektronenneutrino's, aan de aantallen die bij metingen door vroegere experimenten werden verricht.
• 1998 - de super-Kamiokande kondigt bewijsmateriaal aan van niet-nul neutrinomassa op de 1998 Neutrinoconferentie.