We zijn een stap dichter bij het begrijpen waarom er iets is in plaats van niets

Waarom bestaat er iets en niet niets? Een ongrijpbaar deeltje dat miljarden keren per seconde door je lichaam heen vliegt zou weleens het antwoord kunnen bieden. Twee rivaliserende laboratoria hebben hun krachten gebundeld om het geheim van het neutrino te ontrafelen.

Wetenschappers van de NOvA-detector in de Verenigde Staten en het T2K-experiment in Japan hebben de handen in elkaar geslagen. De twee faciliteiten, die normaal gesproken als concurrenten worden gezien in de race om de eigenschappen van neutrino’s te meten, hebben nu hun datasets gecombineerd. Het resultaat is te lezen in het wetenschappelijke vakblad Nature.

Geestdeeltjes

Neutrino’s zijn bijzondere deeltjes. Ze hebben nauwelijks massa en botsen zelden ergens tegenaan. Miljarden ervan schieten op dit moment dwars door je lichaam en zelfs de hele aarde heen zonder ook maar één atoom te raken. Toch zijn ze cruciaal voor ons begrip van het universum.

In de jaren negentig ontdekten wetenschappers dat neutrino’s kunnen “oscilleren”. Dit betekent dat ze van type kunnen veranderen tijdens hun reis; wetenschappelijk spreken we van “flavor oscillations”. Deze ontdekking leverde de wetenschappers Takaaki Kajita en Arthur B. McDonald in 2015 de Nobelprijs op. Maar de ontdekking riep meer vragen op dan ze beantwoordde.

Een van die vragen raakt aan het diepste mysterie van de kosmos: waarom bestaat er überhaupt materie? Bij de oerknal ontstonden immers gelijke hoeveelheden materie en antimaterie die elkaar hadden moeten vernietigen. Toch is het universum nu gevuld met materie. We weten nog altijd niet waarom dit het geval is. Neutrino’s lijken volgens sommige onderzoekers een sleutelrol te spelen in dit onevenwicht.

Complementaire krachten

De twee experimenten proberen dit te achterhalen en vullen elkaar perfect aan. T2K stuurt neutrino’s van een deeltjesversneller naar een detector die zich 295 kilometer verderop bevindt. Deze neutrino’s hebben een energie van ongeveer 0,6 gigaelektronvolt (ofwel GeV, een energie-eenheid die in de deeltjesfysica gebruikt wordt. Ter vergelijking: 1 GeV komt overeen met 1,6×10⁻¹⁰ joule). NOvA daarentegen gebruikt een bundel van 2 GeV die 810 kilometer verder wordt opgevangen.

Door die verschillen vangen ze elk unieke kanten van neutrino-gedrag op. T2K kan bepaalde parameters beter meten, NOvA andere. Samen geven ze een completer beeld.
Het samenvoegen van de data was echter geen sinecure. De teams gebruiken andere technieken om neutrino’s te detecteren en verschillende manieren om hun botsingen met atomen te voorspellen. Ze moesten uitpluizen welke foutmarges overlappen en welke apart staan om betrouwbare resultaten te krijgen.

Nieuw precisierecord

Uiteindelijk leverde dit de scherpste meting ooit op van het massaverschil tussen neutrino-types. Dit massaverschil bepaalt voor een groot deel hoe vaak en hoe snel neutrino’s van type wisselen.

Het is nog onduidelijk hoe de massa’s van de drie soorten neutrino’s precies geordend zijn. Misschien is het zwaarste neutrino niet het type dat wetenschappers tot nu toe dachten, maar het bewijs daarvoor is nog zwak. Wel zagen de onderzoekers mogelijke sporen van CP-schending, een situatie waarbij de regels van de natuur anders werken voor materie dan voor antimaterie. Dat zou verklaren waarom materie de overhand kreeg na de oerknal. Maar dit hangt af van de hierboven genoemde massavolgorde. Die moet nog bewezen worden, dus er is nog geen definitief bewijs.

Systematische onzekerheden

De wetenschappers lieten niets aan het toeval over en testten hun conclusies tegen allerlei mogelijke fouten. Ze simuleerden extreme situaties waarin onzekerheden groter uitpakken dan gedacht en probeerden alternatieve modellen voor neutrino-botsingen. Alles hield stand. Toch er zijn nog wat haken en ogen: de voorspellingsmodellen verschillen tussen de experimenten en er is meer data nodig om statistische ruis te verminderen.

Deze samenwerking smaakt desalniettemin naar meer en beide teams zullen waarschijnlijk informatie blijven delen terwijl ze nieuwe metingen verzamelen. Ondertussen staan er geavanceerdere opvolgers klaar, zoals DUNE in Amerika en Hyper-Kamiokande in Japan, die nog preciezer kunnen kijken.