Neutrino's zijn subatomaire deeltjes die behoren tot de familie van leptonen en een van de meest mysterieuze en lichtste deeltjes in het universum zijn. Ze hebben geen elektrische lading en hebben een extreem kleine massa, waardoor ze bijna ongehinderd door materie reizen. Miljarden neutrino's passeren dagelijks ons lichaam zonder dat we het merken. Ondanks hun ongrijpbare aard hebben neutrino's een cruciale rol gespeeld in de moderne deeltjesfysica, met name door het fenomeen dat bekend staat als neutrino-oscillatie.
Neutrino-oscillatie kan worden begrepen via quantummechanica. Een neutrino wordt geproduceerd in een bepaalde smaaktoestand, bijvoorbeeld een elektronneutrino. Echter, de smaaktoestand is een mengsel van drie verschillende massa-eigenstaten. Terwijl het neutrino zich voortbeweegt, evolueren de faseverschillen tussen de massa-eigenstaten, waardoor de waarschijnlijkheid verandert dat het als een bepaalde smaak wordt waargenomen.
Neutrino-oscillatie is het proces waarbij een neutrino van één "smaak" kan veranderen in een andere terwijl het door de ruimte reist (in de deeltjesfysica verwijst 'smaak' naar een soort neutrino). Er zijn drie bekende smaken van neutrino's:
- Elektronneutrino (νₑ)
- Muneutrino (ν_μ)
- Tauneutrino (ν_τ)
Bijvoorbeeld, een elektronneutrino dat uit de zon komt, kan op weg naar de aarde veranderen in een muneutrino of tauneutrino. Dit effect is alleen mogelijk omdat neutrino's een kleine, maar niet-nul massa hebben, en het quantummechanische fenomeen van menging tussen massa- en smaakstaten. In eenvoudigere woorden: een neutrino heeft meerdere "identiteiten" tegelijk en kan zich tijdens zijn reis van de ene identiteit naar de andere verplaatsen. Dit is vergelijkbaar met een muzikale noot die langzaam verandert in een andere toon terwijl hij door de ruimte reist.
Ontdekking van neutrino-oscillaties
Het idee dat neutrino's kunnen oscilleren werd voor het eerst theoretisch voorgesteld in de jaren 1960 door Bruno Pontecorvo en andere fysici. Het duurde echter tientallen jaren voordat experimenteel bewijs werd gevonden. In de jaren 1960 ontdekten wetenschappers dat het aantal elektronneutrino's afkomstig van de zon aanzienlijk lager was dan voorspeld door theoretische modellen. Dit fenomeen, bekend als het zonne-neutrinoprobleem, leidde tot jarenlang puzzelen. De puzzel suggereerde dat er iets gebeurde met de neutrino's onderweg van de zon naar de aarde.
De oscillatie wordt beïnvloed door:
- Afstand: Hoe verder het neutrino reist, hoe groter de kans op verandering.
- Energie: Hogere energie-neutrino's oscilleren langzamer.
- Massa-verschillen: Kleinere verschillen in massa zorgen voor langzamere oscillaties.
Deze kwantummechanische aard maakt neutrino-oscillaties uniek en fascinerend.
Experimenteel bewijs
Het eerste overtuigende bewijs voor neutrino-oscillaties kwam in de late jaren 1990 via twee baanbrekende experimenten:
- Super-Kamiokande (1998)
Gelegen in Japan, dit ondergrondse water-Cherenkov-detector experiment observeerde neutrino's die door de atmosfeer van de aarde kwamen. Super-Kamiokande ontdekte dat de flux van muneutrino's minder was dan verwacht en dat de verdeling van de afstanden die ze hadden afgelegd hun smaak beïnvloedde. Dit was een duidelijk teken van oscillaties. - Sudbury Neutrino Observatory (SNO, 2001)
Gelegen in Canada, gebruikte SNO zwaar water om alle drie de smaken van neutrino's te detecteren. Ze bevestigden dat de totale flux van alle smaken overeenkwam met de voorspellingen, terwijl de elektronneutrino-flux lager was. Dit bevestigde dat elektronneutrino's afkomstig van de zon waren veranderd in andere smaken tijdens hun reis.
Deze experimenten toonden overtuigend aan dat neutrino's inderdaad oscilleerden en dus een kleine massa hebben. Deze ontdekking was revolutionair omdat het afweek van het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat aanvankelijk voorspelde dat neutrino's massaloos zijn.
