Neurito-atoomkern-interacties en de detectie van supernovaneutrino's

Anneleen De Maesschalck
Hoe kleiner het deeltje...
 
De nachtelijke hemel biedt ons op aarde een indrukwekkend schouwspel: duizenden sterren die zo veraf zijn dat hun licht ons slechts bereikt na ettelijke jaren.  De rust die ervan uitgaat, is echter schijn: sterren zijn niet onveranderlijk, en hun bestaan kent woelige fasen.  Hun geboorte, levensloop en dood zorgen voor interessante natuurfenomenen.  Eén van de meest indrukwekkende gebeurtenissen is een supernova-explosie: massieve sterren slingeren een groot deel van hun materie de ruimte in, maar er worden ook atoomkernen en elementaire deeltjes zoals neutrino’s g

Neurito-atoomkern-interacties en de detectie van supernovaneutrino's

Hoe kleiner het deeltje...

 

De nachtelijke hemel biedt ons op aarde een indrukwekkend schouwspel: duizenden sterren die zo veraf zijn dat hun licht ons slechts bereikt na ettelijke jaren.  De rust die ervan uitgaat, is echter schijn: sterren zijn niet onveranderlijk, en hun bestaan kent woelige fasen.  Hun geboorte, levensloop en dood zorgen voor interessante natuurfenomenen.  Eén van de meest indrukwekkende gebeurtenissen is een supernova-explosie: massieve sterren slingeren een groot deel van hun materie de ruimte in, maar er worden ook atoomkernen en elementaire deeltjes zoals neutrino’s gevormd.  Bij zo’n reusachtige explosie lijken de nietige neutrino’s van niet veel belang.  Niets is echter minder waar: in een supernova-explosie zorgen neutrino’s voor heel wat interessante fysica.

 

Neutrino’s zijn moeilijk detecteerbare deeltjes: ze hebben een zeer kleine massa, ze zijn elektrisch neutraal, komen in drie types voor, en interageren enkel via de zwakke wisselwerking.  En precies die zwakke wisselwerking zorgt ervoor dat de neutrino’s slechts zelden reacties met andere deeltjes aangaan.  Klein als ze zijn, baren ze de fysici toch heel wat kopzorgen: waar komen ze vandaan?  Hoe groot is hun massa nu precies?  Kunnen ze van het ene neutrinotype in het andere overgaan (het zogenaamde oscilleren)?  Neutrino’s laten nog heel wat vragen onbeantwoord.  Door experiment en theorie probeert men de puzzel op te lossen.

 

De levensloop van een ster is een dynamisch proces.  De gravitatiekracht zorgt ervoor dat de ster samentrekt; de temperatuur in de sterkern loopt hierbij zo hoog op, dat lichte atoomkernen kunnen versmelten tot zwaardere kernen in het kernfusieproces.  De energie die hierbij vrijkomt, geeft aanleiding tot een thermische druk, die de gravitatiekracht tegengaat.  Dit dynamische evenwicht kan niet in stand gehouden worden: de temperatuur kan nooit hoog genoeg worden om zware atoomkernen met elkaar te laten versmelten, en op dat moment overwint de gravitatie de thermische druk, en de sterkern implodeert.  De dichtheid van de sterkern wordt hierbij zo groot dat de neutrino’s als het ware ingevangen worden.  Eens nucleaire dichtheden bereikt zijn, veert de sterkern terug, en dit genereert een schokgolf.  Deze schokgolf kan zich ongestoord naar buiten voortplanten en een supernova-explosie veroorzaken. Maar het kan ook anders: door interacties met de deeltjes in de sterkern verliest de schokgolf energie, en valt hij uiteindelijk stil.

 

De neutrino’s kunnen ervoor zorgen dat de tot stilstand gebrachte schokgolf weer tot leven komt.  Hoewel neutrino’s heel weinig interacties aangaan (ze kunnen bijvoorbeeld dwars door de aarde reizen zonder één interactie), is in een supernova-explosie hun grote aantal uiteindelijk verantwoordelijk voor het verloop van de explosie.  Vele kleintjes maken één groot, en de energie die de neutrino’s vrijmaken door hun reacties met het stermateriaal in de lagen achter de schokgolf, resulteert in een succesvolle explosie.

 

Het mechanisme van een supernova-explosie is echter nog niet volledig doorgrond.  Indien men de supernovaneutrino’s detecteert, kan men heel wat leren over de processen die zich in de eindfase van het sterrenleven afspelen.  Omdat neutrino’s bijna geen interacties aangaan, komen ze als het ware ‘ongeschonden’ uit de supernova tevoorschijn.  Neutrino’s waarnemen betekent dan informatie verzamelen over het binnenste van een ster op het moment van de supernova-explosie.  Neutrino-observatie leert ons verschillende dingen: de (eventuele) neutrinomassa, de mogelijkheid van neutrino-oscillaties, de evolutie van een imploderende sterkern tot een zwart gat, ...

 

Verder is het nodig een verscheidenheid aan neutrinodetectoren te construeren om zoveel mogelijk aspecten van de neutrino’s te kunnen waarnemen: neutrino’s komen in drie types voor, en elk type induceert andere reacties.  Ook de plaats waar neutrino’s geproduceerd worden, is van belang: zonneneutrino’s vragen andere detectoren dan supernovaneutrino’s.  Eén punt hebben alle detectoren gemeen: ze zijn reusachtig groot.  Men maakt bijvoorbeeld gebruik van de Middellandse Zee (het NESTOR experiment), of het ijs van Antarctica (AMANDA, IceCube), of ondergronde sites, zoals oude mijnen (SNO, Super Kamiokande).  Blijkbaar geldt dus een regel: hoe kleiner het deeltje, hoe groter de detector.  Het ‘Sudbury Neutrino Observatory’ (SNO; Canada) richt zijn aandacht op zonneneutrino’s, en heeft recentelijk overtuigend bewijs geleverd voor het optreden van neutrino-oscillaties; daarmee is het raadsel van de ontbrekende zonneneutrino’s opgelost. Vermits neutrino’s enkel kunnen oscilleren als ze massa hebben, is eveneens het bestaan van een neutrinomassa aangetoond. 

 

De theorie van de zwakke wisselwerking levert een theoretisch raamwerk waarbinnen men kan voorspellen met welke waarschijnlijkheid de neutrino’s reacties met andere deeltjes, zoals bijvoorbeeld atoomkernen, zullen aangaan.  Die waarschijnlijkheid drukt men uit aan de hand van de werkzame doorsnede.  Men kan zich dit voorstellen als het contactoppervlak tussen het neutrino en het andere deeltje: hoe groter dit contactoppervlak, hoe waarschijnlijker een reactie tussen de deeltjes.  Berekeningen van deze werkzame doorsnedes zijn belangrijk met het oog op het ontwikkelen van neutrinodetectoren: men kan berekenen welke elementen het meest geschikt zijn om neutrino’s waar te nemen, om op die manier een optimale detector te bouwen.

 

Er is een wereldwijde, groeiende interesse voor de neutrino’s, en er is niemand meer die nog twijfelt aan hun relevantie voor de natuurkunde: de recente uitreiking van de Nobelprijs Fysica heeft de inspanningen van onder andere Raymond Davis Jr. en Masatoshi Koshiba beloond, voor hun pionierswerk in de detectie van zonneneutrino’s, en het daarbijhorende belang voor de astrofysica.  Deze haast ongrijpbare deeltjes vormen een belangrijke theoretische en experimentele uitdaging voor de natuurkundigen.  Kennis van de neutrino’s brengt ons dichter bij het ultieme doel: de natuur begrijpen.

 

Universiteit of Hogeschool
Publicatiejaar
2002