Wetenschappers vinden het heerlijk om mysteries te onderzoeken, en hoe groter het mysterie, hoe groter het enthousiasme. Er zijn veel grote onbeantwoorde vragen in de wetenschap, maar als je het groots wilt aanpakken, is het moeilijk om de vraag “Waarom is er iets in plaats van niets?” te overtreffen
Dat lijkt misschien een filosofische vraag, maar het is er een die zeer geschikt is voor wetenschappelijk onderzoek. Iets concreter geformuleerd: “Waarom bestaat het universum uit materie die menselijk leven mogelijk maakt, zodat we zelfs deze vraag kunnen stellen?” Wetenschappers die onderzoek doen in Japan hebben vorige maand een meting aangekondigd die direct ingaat op die meest fascinerende vraag. Het blijkt dat hun meting niet strookt met de eenvoudigste verwachtingen van de huidige theorie en wel eens zou kunnen wijzen in de richting van een antwoord op deze tijdloze vraag.
Hun meting lijkt te zeggen dat voor een bepaalde set subatomaire deeltjes, materie en antimaterie zich verschillend gedragen.
Materie v. Antimaterie
Met behulp van de J-PARC versneller, gelegen in Tokai, Japan, vuurden wetenschappers een straal van spookachtige subatomaire deeltjes genaamd neutrino’s en hun antimaterie tegenhangers (antineutrino’s) door de Aarde naar het Super Kamiokande experiment, gelegen in Kamioka, ook in Japan. Dit experiment, dat T2K (Tokai to Kamiokande) wordt genoemd, is ontworpen om vast te stellen waarom ons universum uit materie bestaat. Een eigenaardig gedrag van neutrino’s, neutrino-oscillatie genaamd, zou licht kunnen werpen op dit zeer netelige probleem.
De vraag waarom het heelal uit materie bestaat, klinkt misschien als een eigenaardige vraag, maar er is een heel goede reden waarom wetenschappers hierover verbaasd zijn. Dat komt omdat wetenschappers niet alleen weten van het bestaan van materie, maar ook van antimaterie.
In 1928 stelde de Britse natuurkundige Paul Dirac het bestaan van antimaterie voor – een antagonistisch broertje of zusje van materie. Combineer gelijke hoeveelheden materie en antimaterie en de twee annihileren elkaar, waardoor een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. En omdat natuurkundige principes meestal even goed omgekeerd werken, kan een enorme hoeveelheid energie worden omgezet in precies gelijke hoeveelheden materie en antimaterie. Antimaterie werd in 1932 ontdekt door de Amerikaan Carl Anderson en onderzoekers hebben bijna een eeuw de tijd gehad om de eigenschappen ervan te bestuderen.
Die “in precies gelijke hoeveelheden” zinsnede is echter de kern van het raadsel. In de korte momenten direct na de oerknal, was het heelal vol energie. Toen het uitdijde en afkoelde, zou die energie omgezet moeten zijn in gelijke delen materie en antimaterie subatomaire deeltjes, die vandaag de dag waarneembaar zouden moeten zijn. En toch bestaat ons universum in essentie volledig uit materie. Hoe kan dat?
Door het aantal atomen in het heelal te tellen en dat te vergelijken met de hoeveelheid energie die we zien, stelden wetenschappers vast dat “precies gelijk” niet helemaal juist is. Op de een of andere manier, toen het heelal ongeveer een tiende van een triljoenste van een seconde oud was, trokken de natuurwetten zich een beetje scheef in de richting van de materie. Voor elke 3.000.000.000 antimaterie deeltjes, waren er 3.000.000.001 materie deeltjes. De 3 miljard materiedeeltjes en 3 miljard antimateriedeeltjes werden gecombineerd – en annihileerden weer in energie, waardoor de lichte overmaat aan materie overbleef om het heelal te vormen dat we vandaag de dag zien.
Sinds dit raadsel bijna een eeuw geleden werd begrepen, hebben onderzoekers materie en antimaterie bestudeerd om te zien of zij gedrag in subatomaire deeltjes konden vinden dat de overmaat aan materie zou verklaren. Zij zijn ervan overtuigd dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden worden gemaakt, maar zij hebben ook waargenomen dat een klasse van subatomaire deeltjes, quarks genaamd, gedrag vertonen dat materie enigszins bevoordeelt ten opzichte van antimaterie. Die specifieke meting was subtiel en betrof een klasse deeltjes die K-mesonen worden genoemd en die van materie in antimaterie kunnen veranderen en weer terug. Maar er is een klein verschil in de omzetting van materie in antimaterie in vergelijking met het omgekeerde. Dit verschijnsel was onverwacht en de ontdekking ervan leidde tot de Nobelprijs in 1980, maar de omvang van het effect was niet voldoende om te verklaren waarom materie in ons heelal overheerst.
Spookachtige stralen
Daarom hebben wetenschappers hun aandacht gericht op neutrino’s, om te zien of hun gedrag de overmaat aan materie kan verklaren. Neutrino’s zijn de geesten van de subatomaire wereld. Zij hebben slechts een wisselwerking via de zwakke kernkracht en kunnen materie passeren zonder dat er bijna sprake is van wisselwerking. Om een idee te geven van de schaal: neutrino’s worden het meest gecreëerd in kernreacties en de grootste kernreactor die er is, is de zon. Om jezelf af te schermen van de helft van de neutrino’s van de zon zou je een massa massief lood van ongeveer 5 lichtjaar diep nodig hebben. Neutrino’s hebben eigenlijk niet veel met elkaar te maken.
Tussen 1998 en 2001 heeft een reeks experimenten – een met de Super Kamiokande detector, en een andere met de SNO detector in Sudbury, Ontario – definitief bewezen dat neutrino’s ook een ander verrassend gedrag vertonen. Zij veranderen van identiteit.
Fysici kennen drie verschillende soorten neutrino’s, elk geassocieerd met een uniek subatomair broertje of zusje, genaamd elektronen, muonen en tau’s. Elektronen veroorzaken elektriciteit en het muon en tau deeltje lijken veel op elektronen, maar zijn zwaarder en onstabiel.
De drie soorten neutrino’s, elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino genoemd, kunnen “morphen” in andere soorten neutrino’s en weer terug. Dit gedrag wordt neutrino oscillatie genoemd.
Neutrino-oscillatie is een uniek kwantumverschijnsel, maar het is ruwweg analoog aan het beginnen met een kom vanille-ijs en, nadat je op zoek gaat naar een lepel, kom je terug om te ontdekken dat de kom half vanille en half chocolade is. Neutrino’s veranderen van identiteit, van geheel één type, naar een mengeling van types, naar een geheel ander type, en dan weer terug naar het oorspronkelijke type.
Antineutrino oscillaties
Neutrino’s zijn materiedeeltjes, maar antimaterie neutrino’s, antineutrino’s genaamd, bestaan ook. En dat leidt tot een zeer belangrijke vraag. Neutrino’s oscilleren, maar oscilleren antineutrino’s ook en oscilleren zij op precies dezelfde manier als neutrino’s? Het antwoord op de eerste vraag is ja, terwijl het antwoord op de tweede vraag niet bekend is.
Laten we dit eens wat uitvoeriger beschouwen, maar dan op een vereenvoudigde manier: Stel dat er slechts twee soorten neutrino’s waren – muon en elektron. Veronderstel verder, dat je een bundel neutrino’s had van het zuivere muontype. Neutrino’s oscilleren met een bepaalde snelheid en aangezien zij zich bijna met de lichtsnelheid voortbewegen, oscilleren zij als functie van de afstand tot de plaats waar zij zijn ontstaan. Zo zal een bundel zuivere muon-neutrino’s er op een bepaalde afstand uitzien als een mengsel van muon- en elektrontypen, dan zuiver elektrontypen op een andere afstand en dan terug naar zuiver muon. Antimaterie neutrino’s doen hetzelfde.
Maar als materie en antimaterie neutrino’s met iets verschillende snelheden oscilleren, dan zou je verwachten dat als je op een vaste afstand was van het punt waar een bundel zuivere muon neutrino’s of muon antineutrino’s werd gemaakt, dat je dan in het neutrino geval één mengsel van muon en elektron neutrino’s zou zien, maar in het antimaterie neutrino geval een ander mengsel van antimaterie muon en elektron neutrino’s zou zien. De werkelijke situatie wordt gecompliceerd door het feit dat er drie soorten neutrino’s zijn en de oscillatie afhangt van de energie van de bundel, maar dit zijn de grote ideeën.
De waarneming van verschillende oscillatiefrequenties door neutrino’s en antineutrino’s zou een belangrijke stap zijn naar het begrip van het feit dat het heelal uit materie bestaat. Het is niet het hele verhaal, want er moeten ook nog andere nieuwe verschijnselen zijn, maar het verschil tussen materie- en antimaterie-neutrino’s is noodzakelijk om te verklaren waarom er meer materie in het heelal is.
In de huidige heersende theorie die de neutrino-interacties beschrijft, is er een variabele die gevoelig is voor de mogelijkheid dat neutrino’s en antineutrino’s verschillend oscilleren. Als die variabele nul is, oscilleren de twee deeltjestypen met dezelfde snelheid; als die variabele verschilt van nul, oscilleren de twee deeltjestypen verschillend.
Toen T2K deze variabele mat, ontdekten zij dat deze onverenigbaar was met de hypothese dat neutrino’s en antineutrino’s identiek oscilleren. Iets technischer bepaalden zij een reeks van mogelijke waarden voor deze variabele. Er is een kans van 95 procent dat de ware waarde voor die variabele binnen dat bereik ligt en slechts een kans van 5 procent dat de ware variabele buiten dat bereik ligt. De hypothese “geen verschil” ligt buiten het bereik van 95 procent.
In eenvoudiger bewoordingen suggereert de huidige meting dat neutrino’s en antimaterie-neutrino’s verschillend oscilleren, hoewel de zekerheid niet op het niveau komt om een definitieve bewering te doen. In feite wijzen critici erop dat metingen met dit niveau van statistische significantie zeer, zeer sceptisch moeten worden bekeken. Maar het is zeker een enorm provocerend eerste resultaat, en de wetenschappelijke gemeenschap van de wereld is zeer geïnteresseerd in het zien van verbeterde en meer precieze studies.
Het T2K-experiment zal doorgaan met het registreren van aanvullende gegevens in de hoop een definitieve meting te kunnen doen, maar het is niet het enige spel in de stad. Bij Fermilab, dat buiten Chicago ligt, schiet een soortgelijk experiment, NOVA genaamd, zowel neutrino’s als antimaterie-neutrino’s naar Noord-Minnesota, in de hoop T2K te kunnen verslaan. En, meer naar de toekomst kijkend, werkt Fermilab hard aan wat zijn vlaggeschip-experiment zal worden, genaamd DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), dat veel superieure mogelijkheden zal hebben om dit belangrijke fenomeen te bestuderen.
Hoewel het T2K-resultaat niet definitief is en voorzichtigheid gerechtvaardigd is, is het zeker prikkelend. Gezien de enorme omvang van de vraag waarom ons universum geen noemenswaardige antimaterie lijkt te hebben, zal de wetenschappelijke wereldgemeenschap gretig wachten op verdere updates.
Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.
Don Lincoln is een natuurkundig onderzoeker bij Fermilab. Hij is de auteur van “The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), en hij produceert een reeks video’s over wetenschapseducatie. Volg hem op Facebook. De meningen in dit commentaar zijn van hem.
Don Lincoln droeg dit artikel bij aan Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Recent news