Vandaag is bekendgemaakt dat de Nobelprijs voor de natuurkunde van 2015 gaat naar twee wetenschappers die belangrijk werk deden aan neutrino’s.

Aan het rijtje Nobelprijswinnaars kunnen vandaag twee namen worden toegevoegd: de Japanner Takaaki Kajita en de Canadees Arthur B. McDonald. Zij leidden twee experimenten waarmee kon worden vastgesteld dat neutrino’s van identiteit kunnen veranderen – iets wat alleen kan als ze een massa hebben.

Oscillerende neutrino’s

Neutrino’s zijn elementaire deeltjes die zich nauwelijks iets aantrekken van andere materie. Ze schieten dan ook continu in enorme hoeveelheden door de aarde heen – en door mensen óp die aarde – zonder dat we daar iets van merken. Deze deeltjes zijn daardoor erg lastig te onderzoeken, maar met heel gerichte experimenten is het ons de afgelopen decennia toch gelukt om er meer over te weten te komen.

De Nobelprijs van vandaag wordt uitgereikt voor de ontdekking dat neutrino’s ‘oscilleren’. Dat wil het volgende zeggen. Er zijn (voor zover we weten) drie soorten neutrino’s: elektronneutrino’s, muonneutrino’s en tauneutrino’s. Daarbij zou je normaal gesproken verwachten dat geldt ‘eens een elektronneutrino, altijd een elektronneutrino’ – maar dat blijkt niet waar. Met de experimenten geleid door Kajita en McDonald werd aangetoond dat de verschillende soorten neutrino’s in elkaar kunnen veranderen.

Uit de atmosfeer en uit de zon

Het team van Kajita deed zijn baanbrekende werk al in 1998, met de Super-Kamiokande-detector (zie foto linksboven), die zich in een zinkmijn bevindt op 150 kilometer van Tokio en meer dan 50.000 ton water bevat. Hiermee stelden onderzoekers vast dat neutrino’s die ontstaan als deeltjes uit de ruimte (kosmische straling) op de aardatmosfeer botsen, niet van identiteit veranderen als ze direct van boven komen, maar dat wel doen als ze eerst helemaal door de aarde hebben moeten reizen voordat ze het experiment bereikten.

McDonald krijgt de prijs voor zijn werk met het Sudbury Neutrino Observatory (SNO; zie foto beneden). Dit experiment, dat bestaat uit een bol met een middellijn van 12 meter die is gevuld met duizend ton ultrazuiver zwaar water, richtte zich op neutrino’s afkomstig van de zon. Dat zouden allemaal elektronneutrino’s moeten zijn – maar SNO stelde vast dat het totale aantal zonneneutrino’s (dus van alle drie de soorten bij elkaar) groter was dan het aantal elektronneutrino’s. De conclusie: op weg van het binnenste van de zon naar de aarde veranderen neutrino’s blijkbaar van de ene soort in de andere.

Massa nog onbekend

Dat de verschillende neutrino’s in elkaar kunnen veranderen, heeft een belangrijke consequentie. Dit gekke gedrag kunnen ze namelijk alleen vertonen als ze verschillende massa’s hebben. Maar eerder was de aanname dat alle neutrino’s géén massa hadden (en daarmee dezelfde massa, namelijk 0). Die aanname moest dus bij het grof vuil: op zijn hoogst één van de drie neutrinosoorten is massaloos, de andere twee móéten een massa hebben. Wat die massa’s precies bedragen, is overigens nog niet bekend.

Nadat de prijs bekend was gemaakt, belde het Nobelcomité met McDonald in Canada (waar het op dat moment vier uur ‘s nachts was, maar de onderzoeker gaf aan het gezien de omstandigheden niet erg te vinden uit bed te zijn gebeld). Gevraagd naar de betekenis van zijn ontdekking zei hij dat het in het geval van neutrino’s gaat om elementaire deeltjes, die dus voor zover we weten niet meer op te splitsen zijn in nóg kleinere deeltjes. “Dat maakt hun eigenschappen heel belangrijk. Als je niet eens weet of ze een massa hebben of niet, is het lastig om ze in te bouwen in theorieën die meer begrip geven van de natuurkunde op het meest fundamentele niveau. Deze ontdekking helpt ons enorm op dat punt.”

Uiteraard was er ook een journalist die McDonald vroeg naar het praktisch nut van zijn ontdekking. “Neutrino’s die afkomstig zijn uit de kern van de zon helpen ons om de processen te begrijpen die daar plaatsvinden”, antwoordde de Canadees. “En die processen zijn vergelijkbaar met de processen die mensen hier op aarde gebruiken wanneer ze proberen energie op te wekken met kernfusie.” (Overigens zal het neutrino-onderzoek niet héél veel zeggen over kernfusie als energiebron op aarde. Bij de reacties die in de huidige proefreactoren worden gebruikt, zijn geen neutrino’s betrokken, laat Gieljan de Vries weten, voorlichter bij kernfusie-instituut DIFFER.)

Fantastisch nieuws

Deeltjesfysicus Patrick Decowski (Nikhef, Universiteit van Amsterdam) noemt de Nobelprijs “fantastisch nieuws”. “Omdat neutrino’s in het standaardmodel van de deeltjesfysica geen massa hebben, zijn neutrino-oscillaties de eerste echte aanwijzing dat dit model incompleet is.” Wel had hij er graag Atsuto Suzuki bij gezien, betrokken bij het neutrino-experiment KamLAND. “Dat heeft naast de oscillaties van neutrino’s uit de aardatmosfeer en de zon ook oscillaties van neutrino’s uit kernreactors laten zien.”

Ook natuurkundige Nick van Eijndhoven (Vrije Universiteit Brussel) is het met de toekenning van de prijs eens. “Wat mij betreft hebben de twee experimenten echt een doorbraak geleverd in de deeltjesfysica en is de Nobelprijs voor de beide fysici zeer zeker verdiend.” Hij noemt verder nog John Bahcall, die bedacht welke kernreacties er plaatsvinden in het binnenste van de zon en voorspelde hoeveel neutrino’s daarbij horen vrij te komen. “Helaas is Bahcall reeds jaren geleden overleden, anders was hij mijns inziens zeker ook een van de laureaten geworden”, zegt Van Eijndhoven.

Lees hier wie dit jaar de Nobelprijs voor de geneeskunde krijgen en waarom. Morgen volgt de bekendmaking van de Nobelprijs voor de scheikunde.

Beeld: Kamioka Observatory/ICRR/University of Tokyo, Roy Kaltschmid/LBNL