Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

De ontdekking van neutrino-oscillaties zo’n twee decennia geleden heeft eenduidig laten zien dat het standaardmodel van de deeltjesfysica niet compleet is. Een aantal eigenschappen van neutrino’s is de laatste jaren vrij precies gemeten, maar er is nog steeds een aantal open vragen. Wij behandelen vijf van deze vragen en de toekomstige experimenten die deze proberen te beantwoorden. Neutrino’s zouden wel eens een sleutelrol kunnen spelen in ons begrip van de deeltjesfysica, maar ook in de evolutie van het heelal.

Auteurs: Paul de Jong en Patrick Decowski

Rond de tijd van de fameuze brief in december 1930 waarin Wolfgang Pauli het bestaan van het neutrino voorstelde, zou Pauli tegen een vriend hebben gezegd: “Ik heb iets ergs gedaan vandaag: ik heb een deeltje voorgesteld dat niet gedetecteerd kan worden”. Gelukkig bleek dit onderdeel van Pauli’s voorspelling fout, al zou het tot 1953 duren voordat Reines en Cowan de eerste experimentele aanwijzingen zagen voor elektron-(anti)neutrino’s uit het bètaverval van instabiele atoomkernen. In 1962 ontdekte een team geleid door Schwartz, Lederman en Steinberger in Brookhaven dat neutrino’s uit het verval van subatomaire piondeeltjes fundamenteel andere neutrino’s waren dan die uit bètaverval, namelijk muon-neutrino’s. Dit experiment toonde voor het eerst de mogelijkheid van het gebruik van neutrinobundels uit versnellers aan. Het tau-neutrino, ten slotte, al voorspeld sinds de ontdekking van het tau-lepton (1977), werd pas in 2000 voor het eerst daadwerkelijk geïdentificeerd op Fermilab.

Voor een theoretische uitzetting over neutrino’s verwijzen we naar het artikel van Jan-Willem van Holten en Piet Mulders op pagina 12. Neutrino’s zijn ongeladen en wisselwerken alleen via de zwakke kernkracht. Het is daarom niet mogelijk om ze rechtstreeks te detecteren – maar de detectie van de producten van de wisselwerking is wél mogelijk. De zwakke kracht kent de charged current (CC) interactie, via het W-boson, en de neutral current (NC) interactie via het Z-boson. In CC-interacties wordt het corresponderende geladen lepton gemaakt (bijvoorbeeld een muon voor het muon-neutrino), dat typisch goed te detecteren is, bijvoorbeeld met water-Cherenkovdetectoren of calorimeters. De energie van het neutrino moet dan wel boven de drempelwaarde zijn om het corresponderende lepton te kunnen maken. Zo kunnen van de laagenergetische neutrino’s uit de zon (< 20 MeV) alleen de elektron-neutrino’s via de CC reageren en elektronen produceren. Muon-neutrino’s zouden minimaal 110 MeV in energie moeten hebben om een muon te kunnen maken.

Hoewel we al veel over neutrino’s te weten zijn gekomen, zijn er vijf experimenteel toegankelijke open vragen die het komend decennium de aandacht gaan trekken van experimentele deeltjesfysici. Wij bespreken ze hieronder.

Lees het volledige artikel in het juninummer of bekijk hieronder de pdf.