Nobelprijs Natuurkunde voor onderzoek 'spookdeeltje' neutrino

De Nobelprijs voor natuurkunde gaat dit jaar naar twee onderzoekers die cruciale geheimen ontfutselden aan neutrino's, spookdeeltjes die elk moment met miljarden door ons lijf en de hele aarde vliegen zonder dat we daar ook maar iets van merken.

Super-Kamiokande waarmee de Nobelprijswinnaars 2015 voor Natuurkunde werken.Beeld Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

De Japanner Takaaki Kajita (1959) en Canadees Arthur B. McDonald (1943) ontdekten met enorme ondergrondse detectoren dat zulke neutrino's voortdurend van identiteit wisselen en daarom ook een zekere massa moeten hebben. De toekenning is dinsdag in Stockholm bekend gemaakt.

Hun ontdekking rond de millenniumwisseling gold ook als een schok, omdat er in de natuurkunde tot dan werd gedacht dat de spookdeeltjes geen massa hebben en wel met de lichtsnelheid bewegen. Volgens het Nobelprijscomité hebben Kajita en McDonald 'onze kijk op het universum fundamenteel veranderd'.

Op deeltjeslab Nikhef in Amsterdam reageert fysicus Patrick Decowski direct enthousiast op de toekenning. 'Ik had het eigenlijk al niet meer zo verwacht, omdat het neutrino al eens eerder een Nobelprijs kreeg. Maar dit is natuurlijk fantastisch.' Hij werkte jarenlang aan een ander Japans neutrino-experiment, Kamland. De Canadees McDonald kent hij persoonlijk. 'Een rustige breed ontwikkelde grootvaderfiguur die zich laat gelden als het moet. Ik zou zeggen: een echte Nobelprijswinnaar.'

Neutrino's ontstaan bij heftige botsingen van geladen deeltjes en kernsplijting. Er bestaan voor zover bekend drie types: elektron-, muon- en tau-neutrino's. Na hun ontstaan vliegen ze vrijwel ongehinderd door alle materie. Dat maakt ze ook buitengewoon lastig om te bestuderen; detectoren zien ze zelden. 'Deze prijs is voor het meest ongrijpbare deeltje van het universum', begon het Nobelcomité dinsdag de persconferentie in Stockholm.

Super-Kamiokande

Kajita en McDonald bouwden met hun teams respectievelijk in diepe oude mijnen bij Tokio en in Ontario ondergrondse detectoren die toch probeerden neutrino's op te vangen. Die Super-Kamiokande en SNO (Sudbury Neutrino Observatory) speuren naar zeldzame lichtpatronen als een neutrino een atoom in de immense watertanks raakt. De Japanners vangen neutrino's op die aan de andere kant van de aarde ontstaan als kosmische deeltjes in de atmosfeer inslaan. In Canada wordt gekeken naar neutrino's uit de zon.

In beide experimenten werden eind vorige eeuw steeds meer aanwijzingen gezien dat een neutrino niet één identiteit heeft, maar voortdurend metamorfoses ondergaat van muonneutrino naar bijvoorbeeld elektronneutrino en omgekeerd. De Nobelprijs wordt toegekend voor het harde bewijs langs twee verschillende routes dat dergelijke neutrino-oscillaties de regel zijn.

Volgens de theoretici betekent dat automatisch dat de verschillende typen neutrino's niet massaloos kunnen zijn, legt Decowski uit. 'Als ze kunnen veranderen, is er sprake van tijd. Bij de lichtsnelheid staat volgens de relativiteitstheorie de tijd stil, dat is dus niet het geval. En deeltjes die trager zijn dan het licht hebben massa.'

Het bewijs dat neutrino's steeds van gedaante veranderen heeft bijvoorbeeld ook in de astronomie gevolgen, zegt programmaleider Aart Heijboer van Nikhef, die zogeheten neutrinotelescopen ontwikkelt. Dat zijn detectoren in het Zuidpoolijs en op de diepzeebodem die neutrino's van verre sterexplosies waarnemen. 'Concreet betekent dat dat onze apparaten niet alleen naar muon-neutrino's moeten kunnen kijken, maar ook naar de anderen.'

Koerswijziging experimentele natuurkunde

Volgens Decowski heeft de ontdekking van neutrino-oscillaties geleid tot een koerswijziging in de experimentele natuurkunde. 'Het was de eerste harde aanwijzing dat onze standaardmodellen van de deeltjes niet compleet zijn. Die gaan er vanuit dat neutrino's geen massa hebben. Nu weten we beter.'

Nieuwe experimenten proberen niet zozeer te achterhalen wat die massa's concreet zijn maar vooral welke neutrino zwaarder is dan welke andere. Om die massa-hierarchie te ontdekken worden onder meer bij Kamioka in Japan nieuwe experimenten gebouwd, waarbij ook Heijboek van het Nikhef betrokken is. Ook zijn er voorstellen om op het Amerikaanse Fermilab een nieuwe versneller te bouwen die speciaal neutrino's en hun antideeltjes gaan produceren voor nader onderzoek.

Decowski zegt later dit jaar naar Canada te vliegen omdat hij bij de beoordeling betrokken is van een uitbreiding van McDonalds SNO-detector in Ontario. 'Ik ben benieuwd of Arthur er dan is, maar in dat geval zal ik hem stevig ondervragen.'

Een klein appeltje is er wel te schillen. Toen SNO het bewijs voor oscillaties van de stroom muonneutrino's uit de zon bekend maakte, had Kamland-experiment waar hij werkte, hetzelfde bewijs langs net weer een andere weg klaar maar nog niet gepubliceerd. 'Onze teamleider had als derde naam op de Nobellijst misschien niet misstaan', zegt Decowski berustend.

Journalisten in afwachting van uitreiking Nobelprijs voor de Natuurkunde.Beeld Screenshot Nobelprize.org
Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2020 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden