Steriele neutrino’s, zo ver van onze dagelijkse werkelijkheid verwijderd dat ze naar andere dimensies kunnen ontsnappen, lijken nu eindelijk bewijzen op te leveren. Als hun bestaan wordt bevestigd, kunnen ze donkere materie verklaren en kunnen ze wijzen op het bestaan van andere exotische deeltjes die niet in het standaardmodel van de natuurkunde passen.
- Artist impression van een oscillerend neutrino. Bron: Los Alamos National Laboratory
Bestaan er deeltjes buiten het Standaardmodel?
Het Standaardmodel beschrijft de huidige theoretische stand van zaken in de deeltjesfysica en verklaart alle natuurkunde met uitzondering van de zwaartekracht, die het domein van de algemene relativiteitstheorie is. Het Standaardmodel beschrijft de andere drie krachten: de elektromagnetische kracht, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht met drie (nu: twee) kwantumtheorieën. Tot nu toe is er nog geen overweldigend bewijs voor een deeltje dat niet deelneemt aan de interacties van het Standaardmodel. Wat ook logisch is, een dergelijk deeltje is immers niet waar te nemen, anders dan door de relatief zeer zwakke zwaartekracht.
Steriele neutrino’s
Steriele neutrino’s zouden ongevoelig zijn voor de drie krachten van het Standaardmodel en alleen reageren op zwaartekracht, de enige bekende kracht die buiten het Standaardmodel ligt. Als iemand er in slaagt een dergelijk deeltje te vinden, opent hij of zij een nieuw natuurkundig rijk waarin een geheel nieuwe verzameling deeltjes op de loer ligt, bijvoorbeeld het (overigens erg gekunstelde) graviton, waarvan snaartheorie-adepten geloven dat dit de zwaartekracht overbrengt. Volgens o.a. de snaartheorie bestaan er extra dimensies en kunnen steriele neutrino’s via deze extra dimensies naar een ander heelal reizen.
Waarom geloven natuurkundigen dat steriele neutrino’s kunnen bestaan?
Om drie redenen nemen fysici het bestaan van steriele neutrino’s in overweging. Ten eerste kunnen ze dienen als een tegenspeler voor ‘normale’ neutrino’s. Alle drie bekende neutrinosoorten draaien namelijk linksom. Heel merkwaardig, want alle andere bekende deeltjes kunnen linksom of rechtsom draaien. NB: kwantumspin wijkt af van wat we in het dagelijkse leven onder draaiing verstaan – zo lijkt het deeltje van welke kant je ook meet, dezelfde richting op te draaien. Steriele neutrino’s draaien rechtsom en zorgen zo voor behoud van spin – een belangrijke kwantumregel.
Het feit dat steriele neutrino’s, net als donkere materie, alleen op zwaartekracht reageren maakt ze een ideale kandidaat om donkere materie te verklaren.
Maar hoe neem je een deeltje waar dat alleen door de zwaartekracht met de rest van het universum kan reageren? De voornaamste aanwijzingen zijn te vinden in het gedrag van neutrino’s. Hun onverwachte veranderingen van de ene soort in de andere soort (er zijn elektron- muon- en tauon-neutrino’s) doen vermoeden, denken sommige fysici, dat ze onderweg tijdelijk in steriele neutrino’s veranderen. Steeds leken bewijzen op te doemen, die vervolgens weer in rook opgingen – zie deze tijdlijn. Het goede nieuws is dat er nu eindelijk harde aanwijzingen beginnen te komen voor het steriele neutrino en wel uit drie verschillende vakgebieden. Alle drie ontwikkelingen, die alle te maken hebben met het waarnemen van kosmische neutrino’s – lijken in één richting te wijzen: steriele neutrino’s.
Drie aanwijzingen voor het bestaan van steriele neutrino’s: uitsmeren van materie…
Volgens de eerste lijn zorgden steriele neutrino’s voor het uitsmeren van klompen materie in het vroege heelal. Deze klompen ontstonden als kwantumfluctuaties, die onder invloed van de zwaartekracht aaneensinterden tot clusters melkwegstelsels. Het oudste licht ooit waargenomen, met de NASA-satelliet Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, dateert van 380 000 jaar na de Big Bang en wijst erop dat het heelal veel minder klonterig was dan voorspeld op basis van het bestaan van slechts drie neutrinosoorten. Deze waarneming is nu bevestigd door twee telescopen op aarde. Eén verklaring hiervoor is dat er meer dan drie soorten neutrino’s bestaan. Ook standaard neutrino’s reageren nauwelijk met materie – een half lichtjaar dik loden scherm houdt de helft tegen. Hoe meer ‘vrijheidsgraden’ er zijn voor neutrino’s om te ontstaan, omdat er meer dan drie soorten bestaan, hoe meer er gaan ontstaan. Elementaire thermodynamica. Helaas zijn deze metingen nog niet statistisch betrouwbaar genoeg, dus het wachten is op de ESA-ruimtetelescoop Planck, die in 2013 de waarnemingsserie af heeft gerond.
Te kleine drukgolf…
Ook de afstanden tussen melkwegstelsels kunnen de werking van steriele neutrino’s verraden. Toen het heelal nog zeer jong was, was het te heet voor atomen om zich te vormen en was het ondoorzichtig voor elektromagnetische straling. Rondzwervende elektronen en protonen maakten korte metten met fotonen. Hierdoor zorgden vanaf de klompen naar buiten reizende fotonen voor drukgolven. Deze drukgolven konden alleen verder reizen zolang licht en andere elektromagnetische straling nog gehinderd werd door de losse elektronen en protonen. Zodra het heelal koel genoeg was voor het ontstaan van atomen, werd het doorzichtig, zoals nu. Het gevolg: de fotonen drukten niet meer tegen de drukgolf en deze “bevroor”. Op de plek van de drukgolf, op ongeveer 500 000 lichtjaar afstand van de klomp, vormden zich melkwegstelsels. Nieuw bewijs van de Sloan Digital Sky Survey suggereert echter dat sterrenstelsels 480 000 lichtjaar van de klomp clusteren(arxiv.org/abs/1202.0092). De auteurs, Mehta et al, zeggen dat het gemeten verschil verklaard kan worden door steriele neutrino’s. Hierdoor zette het heelal sneller uit, waardoor het sneller afkoelde en de drukgolf eerder bevroor.
En ontbrekende neutrino’s
Tot slot heeft de IceCube neutrinodetector in Antarctica, die een kubieke kilometer landijs gebruikt voor neutrinometingen, een abnormaal laag aantal muon-neutrino’s gemeten. Muon-neutrino’s worden gevormd als kosmische deeltjes in de atmosfeer inslaan. Ook dit is een aanwijzing: de missende neutrino’s zijn mogelijk steriele neutrino’s. (Physical Review D, 10.1103/physrevd.85.011302). Hoewel geen van deze drie aanwijzingen spijkerhard is, denken een aantal natuurkundigen toch dat ze het steriele neutrino op de hielen zitten.
Verklaart steriele neutrino de sneller-dan-licht neutrino’s?
Hoewel er nu de nodige twijfels gerezen zijn over de sneller-dan-licht waarneming van neutrino’s onder de berg Gran Sasso, zou als deze waarneming alsnog klopt, dit een nieuwe aanwijzing kunnen opleveren. Volgens de theorie van snaarfysicus Tom Weiler van de Amerikaanse Vanderbilt Universiteit, kunnen steriele neutrino’s namelijk sneller dan het licht reizen door af te snijden via een andere dimensie. Dit zou de vroege aankomst verklaren. Er is alleen een probleempje met deze theorie. Alle neutrino’s kwamen vroeger aan, bleek uit een vervolgexperiment. Alle neutrino’s zouden dan onderweg in steriele neutrino’s moeten zijn veranderd. Dit is veel lastiger te bereiken, aldus Weiler. Voor beroepsgoochelaars zoals snaartheoretici is het echter ongetwijfeld een eitje hier een mooie theorie van te bakken.
Bron:
New Scientist (2012)