Hoofdbanner

Groot nieuws: vorige week is, blijkt uit een publicatie in het tijdschrift Nature Physics,  definitief de massa van een neutrino bekend geworden. We hebben er lang op moeten wachten, maar de uitkomst staat nu met 90 % zekerheid vast. Het weegt 1,4ꞏ10-36 kg,  dat is 640.000 keer lichter dan het op één na lichtste bekende deeltje: het elektron.

In het Duitse Karlsruhe heeft men het zogenaamde Katrin-experiment uitgevoerd, een jarenlange meting naar de omstandigheden waarin bètaverval plaats vindt. Dit bètaverval (β- of β+) vindt spontaan plaats bij sommige radioactieve stoffen. Dit zijn stoffen waarbij de kern door een ongunstige verhouding van protonen en neutronen instabiel is en daardoor uit elkaar zal vallen. Zo kan er α-straling ontstaan (dit zijn heliumkernen), β-- en β+-straling (het bètaverval, respectievelijk elektronen en positronen) en γ-straling (is elektromagnetisch, dus zonder massa en lading, en beweegt met de lichtsnelheid).
Het bekendste voorbeeld van bètaverval vindt plaats bij C-14 (koolstof 14). Dit is een isotoop van C-12, het veel in de natuur voorkomende element koolstof. C-14 zit ook in ons lichaam (evenzo in planten en dieren). Wij zijn allemaal radioactief!

De vervalvergelijking van C-14 luidt:   146C → 147N + 0-1β
Waarbij het getal 14 op het aantal protonen + neutronen slaat, het getal 6 op het aantal protonen (ofwel de totale lading), de C voor koolstof, de N voor stikstof en 0-1β voor het elektron (lading -1 en afgeronde massa 0).

Maar, deze vervalvergelijking is niet compleet. Het blijkt dat er aan drie fundamentele wetten in de natuurkunde niet wordt voldaan. Dit zijn de wet van behoud van energie, de wet van behoud van impuls (= hoeveelheid beweging) en de wet van behoud van draaiimpuls (de hoeveelheid draaiing, ook wel spin genoemd).
Wolfgang Pauli opperde in 1930 dat er bij deze reactie een deeltje moest ontstaan dat voor die benodigde energie, impuls en impulsmoment zorg droeg. Een deeltje dat niet zichtbaar is, geen lading heeft en misschien niet of anders een heel kleine massa heeft. Hij noemde dit hypothetische deeltje het neutron, vanwege de neutraliteit. Echter, in 1932 toonde Chadwick het bestaan van het neutron aan zoals dat zich in de kern van een atoom ophoudt (in 1935 kreeg hij hier de Nobelprijs voor natuurkunde voor). Er moest toen een andere naam bedacht worden. De Italiaanse natuurkundige Enrico Fermi kwam toen met de naam neutrino (het kleine neutrale deeltje).

Pas in 1956 werd het neutrino door Frederick Reines experimenteel aangetoond (hij kreeg hier in 1995 de Nobelprijs voor natuurkunde voor). De complete vervalreactie voor C-14 wordt hierdoor: 146C → 147N + 0-1β + ν̄ 
Waarbij ν̄  staat voor het anti-elektronneutrino.

Het blijkt dat er drie soorten neutrino’s zijn, het elektron-neutrino, het muon-neutrino (in 1962 ontdekt, wat ook weer een Nobelprijs voor natuurkunde opleverde) en het tau-neutrino. Samen met hun drie antideeltjes zijn dat er in totaal zes (ik heb hier eerder over geschreven, zie hier).
Het neutrino blijkt evenals het elektron een lepton te zijn. Een elementair deeltje met bepaalde vaststaande eigenschappen. Er geldt de wet van behoud van leptongetal. Een elektron en een elektron-neutrino, gewoonlijk neutrino genoemd, hebben een leptongetal van + 1. Hun antideeltjes hebben een leptongetal van -1.
Wanneer we kijken naar het verval van C-14 zien we links van de pijl een leptongetal van 0 (C-14 is geen lepton). Dan moet rechts van de pijl het totale leptongetal ook 0 zijn. Als er dus een elektron ontstaat, moet er tevens een anti-neutrino ontstaan.

Neutrino’s worden in gigantisch grote hoeveelheden in de zon geproduceerd. Ze zijn zoals gezegd bijna niet te detecteren en vliegen met bijna de lichtsnelheid dwars door de aarde en ook ons lichaam heen. In een onvoorstelbare hoeveelheid. Per seconde knallen er honderden miljarden neutrino's door ons heen, zonder dat wij dat merken. Een raar idee natuurlijk.

In Karlsruhe heeft men een buis met daarin tritiumgas van -243 °C gebruikt om de neutrino’s zo nauwkeurig mogelijk (indirect) te detecteren. Tritium is een isotoop van waterstof en valt uiteen volgens de reactie: 31H → 32He + 0-1β + ν̄ 
Met behulp van een spectrometer kon men heel nauwkeurig de energieën van de wegschietende elektronen bepalen. Omdat men de totale energie van het systeem wist, kon men hieruit indirect de energie en dus de massa’s van de neutrino’s bepalen, volgens de formule van Einstein E = mc2. Met als uitkomst, zoals gerefereerd, een massa van 1,4ꞏ10-36 kg. Een knap staaltje onderzoek, dat binnenkort zo goed als zeker een nieuwe Nobelprijs voor natuurkunde op zal leveren.