Het allerlichtste deeltje is ruim een miljoen maal lichter dan een elektron

Neutrinodeeltjes wegen niet meer dan 0,8 sextiljoenste kilogram (0,8 maal 10-36) – minder dan een miljoenste van de massa van een elektron. Dat blijkt uit metingen van het Duitse Katrin-experiment. De onderzoekers hebben dit resultaat donderdag in Science gepubliceerd.

„Het is een mooie publicatie en een fantastisch resultaat”, zegt hoogleraar Paul de Jong van de Universiteit van Amsterdam en onderzoeksinstituut Nikhef. „We keken uit naar deze resultaten van het Katrin-experiment omdat het de meest directe meting van de neutrinomassa doet.”

Neutrino’s zijn de meest voorkomende deeltjes in het heelal die massa hebben. Elke seconde schieten er miljarden neutrino’s door ons heen. Daar merken we niets van omdat ze superlicht en ladingsloos zijn. Ze ontstaan onder andere bij radioactief verval en bij kernreacties en in kernreactoren op aarde en in de zon.

Drie smaken

De natuurkundige Wolfgang Pauli stelde het bestaan van neutrino’s in 1930 voor en in 1956 werden ze voor het eerst gemeten. Er bleken drie ‘smaken’ te bestaan: elektron-, muon-, en tau-neutrino’s. Begin deze eeuw toonden experimenten aan dat die smaken in elkaar kunnen veranderen. Iets dat alleen mogelijk is als neutrino’s massa hebben. Wat de – overduidelijk kleine – neutrinomassa precies is, vertelden de experimenten niet.

„Dat neutrino’s massa hebben en dat die massa zo klein is, intrigeert enorm”, zegt De Jong. Volgens het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat alle bekende elementaire deeltjes en krachten beschrijft, zijn ze namelijk massaloos. „Neutrinomassa’s kun je binnen het standaardmodel alleen verklaren door een extra, nog onontdekt deeltje toe te voegen”, vertelt De Jong. „Een andere spannende mogelijkheid is dat er nieuwe natuurkunde bestaat.”

Het Duitse Katrin-experiment probeert sinds 2019 de neutrinomassa te achterhalen door het radioactieve bètaverval van tritium te bestuderen. Tritium is een onstabiele isotoop van waterstof, die bij het bètaverval een elektron en een neutrino uitzendt.

Dat is mogelijk omdat de bekende hoeveelheid energie die vrijkomt bij het bètaverval verdeeld wordt over het elektron en het neutrino. Die energie zit in de snelheid en massa van de deeltjes. Het elektron kan nooit alle energie hebben, omdat het neutrino minimaal aanspraak maakt op de energie die overeenkomt met zijn massa.

Met een laser wordt de zuiverheid gemeten van het bij het experiment gebruikte tritium.
Foto Tritium Laboratory/KIT

Niet eenvoudig

Door de maximale energie die elektronen meenemen heel precies te meten, kun je dus de neutrinomassa bepalen. Dat is niet eenvoudig, onder meer omdat slechts een biljoenste deel van de elektronen die maximale energie heeft. Daarom bestaat het Katrin-experiment uit een complexe opstelling van zeventig meter met puur tritiumgas.

De precieze neutrinomassa is nog niet bekend. Maar na het meten van 36 miljoen elektronen in 259 meetdagen, hebben de onderzoekers nu met 90 procent zekerheid bepaald dat neutrino’s niet meer wegen dan 0,45 elektronvolt, oftewel 0,8 sextiljoenste kilogram.

Volgens De Jong is het Katrin-experiment hiermee goed op weg naar hun meetdoel. De onderzoekers verwachten uiteindelijk duizend meetdagen te hebben. Daarmee kunnen ze een neutrinomassa van 0,3 of zelfs 0,2 elektronvolt meten. Als neutrino’s nog lichter blijken, dan zijn er nieuwe, gevoeligere experimenten nodig.