Eerst was er niets en plotseling ontstond alles: dimensies, tijd, natuurwetten en de materie die later sterren, planeten en leven zou vormen.
Zo luidt althans het ontstaansverhaal van het heelal volgens de aanvaarde theorie, de oerknaltheorie. Maar de vorming van het heelal blijft in tal van opzichten in nevelen gehuld.
Een van de allergrootste onbeantwoorde vragen is waarom er überhaupt materie is. Volgens de natuurkundemodellen was de oerknal symmetrisch, wat betekent dat er evenveel materie als antimaterie gevormd werd.
Zodra materie en antimaterie elkaar treffen, vagen ze elkaar weg en worden ze straling. Daarom zou de oerknal geëindigd moeten zijn in een nieuw heelal vol straling. Maar het liep anders, zoals we weten. Het heelal raakte gevuld met de bestanddelen die nodig waren om de deeltjes te laten ontstaan die we vandaag de dag kennen.
Een team natuurkundigen gaat nu op zoek naar het antwoord op de vraag waarom dat zo is. Onder het Gran Sasso-gebergte in de Apennijnen midden in Italië hebben ze de detector Cuore gebouwd, die het enige deeltje moet opsporen dat kan vertellen waarom het heelal er is: het neutrino.
Koudste detector op aarde moet zeldzaam verval opsporen
De wetenschappers zoeken naar verval zonder neutrino’s. Voor het experiment hebben ze de detector Cuore gebouwd, die in ’s werelds koudste kubieke meter staat. De detector kan één verval per jaar vinden – als het al voorkomt.
Verval blijft uit
988 kubussen bevatten 34 procent van de dubbelbètaradioactieve telluurisotoop 130Te. Die is zo weinig radioactief dat één atoom slechts één keer in de 10^24 jaar vervalt. In de detector is er één verval per jaar, wat het experiment tot het traagste op aarde maakt. Sommig verval kan van het gezochte type zijn.
Kubussen meten warmte
De kubussen hebben een thermistor van germanium, waarvan de elektrische geleidbaarheid meeverandert met de temperatuur. De gevoelige thermometer vangt kleine veranderingen op die op het verval duiden waarnaar de onderzoekers op zoek zijn. De thermistors zijn verbonden met de centrale computer en verzenden 100 keer per seconde data.
Koeling maakt koudste kubieke meter ooit
De detector wordt gekoeld door de stadia te benutten waarin twee heliumisotopen net boven het absolute nulpunt verkeren. Zo wordt het experiment gekoeld tot 0,007 graden boven het nulpunt. Dat maakt de Cuore tot ’s werelds koudste kubieke meter.
Romeins lood houdt straling tegen
Om deeltjes van buitenaf te weren heeft de detector een loodslab, deels gemaakt van loden staven gevonden in Romeinse schepen in de Middellandse Zee. Bijna al het radioactieve lood is na jaren op de zeebodem vervallen, dus het verstoort de meting niet.
Deeltje bedacht als lapmiddel
Het bestaan van het neutrino werd voor het eerst voorspeld in 1930 door natuurkundige Wolfgang Pauli. Hij bedacht dit kleine deeltje omdat hij de berekening van het zogeheten bètaverval niet rond kreeg.
Bij bètaverval van een radioactieve substantie wordt een neutron in de atoomkern omgezet in een proton dat daar achterblijft en een elektron dat uitgezonden wordt, wist hij.
Maar bij zijn experimenten bleek dat het uitgezonden elektron minder energie had dan het massaverschil tussen het neutron en het proton. Daarom introduceerde hij een nieuw deeltje dat die ontbrekende energie zou kunnen dragen: het neutrino was geboren.
Wolfgang Pauli kon zijn nieuwe theorie echter niet bewijzen. Pas in 1956 slaagden de Amerikaanse natuurkundigen Frederick Reines en Clyde Cowan erin het bestaan van neutrino’s aan te tonen. De twee voerden hun experimenten uit in de buurt van een kernreactor, waarvan ze wisten dat die grote hoeveelheden deeltjes uitstootte.
Hier zochten ze naar de gammastralen die worden uitgezonden wanneer een neutrino botst met een proton. De botsing creëert een neutron en een positron, dat onmiddellijk wordt vernietigd en in straling omgezet wordt omdat het een antideeltje is.
Neutrino’s zijn graag op zichzelf
Sinds de pogingen van Reines en Cowan is er veel geëxperimenteerd met neutrino’s, maar ze zijn nog niet erg goed beschreven doordat ze extreem moeilijk te meten zijn.
Hoewel de meetapparatuur van de onderzoekers bij de kernreactor iedere seconde werd getroffen door 50 biljoen neutrino’s per vierkante centimeter vond er slechts drie keer per uur een botsing plaats tussen een neutrino en een neutron.
Dit komt doordat de deeltjes alleen een wisselwerking met andere deeltjes aangaan via de zwaartekracht, die te verwaarlozen is, en de zwakke kernkracht.
Die laatste neemt zo snel af met de afstand dat hij bijna alleen interessant is in een atoomkern en zijn directe omgeving.
In het Gran Sasso National-laboratorium in Italië hebben onderzoekers de detector Cuore gebouwd, die de langzaamste meting ooit moet uitvoeren.
De kans dat een neutrino invloed heeft op een ander deeltje, is dus te verwaarlozen.
Bijna alle neutrino’s die de zon voortdurend uitzendt – zo’n 1038 per seconde – vliegen bijvoorbeeld volledig onbelemmerd door de aarde met bijna de snelheid van het licht, en iedere seconde schieten er tienduizenden neutrino’s door je lichaam zonder dat je het merkt.
Daarom wordt het neutrino ook wel het spookdeeltje genoemd. Neutrino’s zijn echter enkele van de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Ze hebben geen lading en er zijn ten minste drie versies van.
Minstens één daarvan heeft echter een massa – maar die is miljoenen keren zo gering als die van een elektron.
10^24 is het aantal jaar dat er verstrijkt voor een atoom van isotoop 130Te vervalt.
Dubbelrol kan raadsel oplossen
Natuurkundigen denken ook dat neutrino’s en antineutrino’s als verschillende deeltjes bestaan. Alle deeltjes hebben een antideeltje dat bekend is bij de wetenschap, behalve het neutrino.
De wetenschappers hebben dan ook een donkerbruin vermoeden dat het neutrino tegelijkertijd zijn eigen antideeltje is – en als dat inderdaad zo is, dan kan het deeltje verklaren hoe er bij de oerknal een heelal van materie gevormd kon worden.
De theorie is dat er direct na de oerknal zware hermafrodietdeeltjes – deeltje en antideeltje ineen – werden aangemaakt. Vanwege hun dualiteit kunnen ze vervallen tot veel meer materie dan antimaterie en
op die manier het heelal creëren.
Die deeltjes zullen nu al lang verdwenen zijn – ze konden alleen bestaan in het zeer vroege en energierijke heelal. Maar als het neutrino zijn eigen antideeltje blijkt te zijn, weten de onderzoekers dat de vroege zware deeltjes ook beide tegelijk kunnen zijn.
Nul neutrino’s is de sleutel
De detector Cuore moet proberen de rol van het neutrino als zijn eigen antideeltje aan te tonen. Cuore staat voor ‘Cryogenic Underground Observatory for Rare Events’, ofwel ‘onderaards lagetemperatuurobservatorium voor zeldzame gebeurtenissen’.
In het Gran Sasso National-laboratorium in Italië hebben onderzoekers de detector Cuore gebouwd, die de langzaamste meting ooit moet uitvoeren.
Zo’n zeldzame gebeurtenis is een type verval van de radioactieve isotoop van het element telluur: 130Te.
In hoge concentraties is de stof bètaradioactief, maar anders dan het bètaverval dat Wolfgang Pauli bestudeerde. In plaats van een neutron dat vervalt tot proton, elektron en neutrino vervallen er bij het zogeheten dubbel bètaverval twee neutronen van 130Te tegelijk tot twee protonen, twee elektronen en twee neutrino’s.
Als het neutrino zijn antideeltje is, zal er soms een neutrinoloos dubbel bètaverval voorkomen, waarbij de twee neutrino’s elkaar neutraliseren zodra ze ontstaan. De elektronen die bij het verval uitgezonden worden, dragen dan alleen de energie die overeenkomt met het massaverschil tussen twee neutronen en protonen.
En dat is precies de energie waarnaar de Cuore op zoek is.
Aanvankelijk draaide de Cuore in 2017 twee maanden om de halfwaardetijd van 130Te te bepalen en te achterhalen hoeveel neutrinoloos verval er te verwachten valt.
Zo bleek dat er hooguit één verval per jaar zal zijn, of vijf keer in de komende vijf jaar, waardoor dit het langzaamste experiment op aarde is.
Maar het is het wachten waard, want mocht de Cuore het zeldzame verval registreren, dan is meteen aangetoond hoe het heelal heeft kunnen ontstaan.