Wetenschap
De kosmische neutrino-achtergrond zou ons veel vertellen over het universum, zegt onderzoeker
Lezers van Universe Today zijn waarschijnlijk al bekend met het concept van de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De toevallige ontdekking ervan door een paar radioastronomen van Bell Labs is het onderwerp van een astronomische legende. De afgelopen decennia heeft het veel inzichten opgeleverd in de oerknal en de oorsprong van ons universum. Maar er is nog een ander, minder bekend achtergrondsignaal dat net zo revolutionair zou kunnen zijn – althans dat denken wij.
De kosmische neutrino-achtergrond (CvB) wordt al jaren geponeerd, maar moet nog worden gevonden, vooral omdat neutrino's notoir moeilijk te detecteren zijn. Nu bespreekt een artikel van professor Douglas Scott van de Universiteit van British Columbia, ontwikkeld als onderdeel van een zomerschool over neutrino’s gehouden door de International School of AstroParticle Physics in de Italiaanse stad Varenna, wat we potentieel zouden kunnen leren als we erin slagen om uiteindelijk het CvB detecteren.
Het artikel is geschreven in een grillige stijl en werd uitgebracht op arXiv , dus het is onduidelijk of het formeel door vakgenoten zal worden beoordeeld (of dat de peer reviewers de foto van de "olifant in de kamer" zullen verwijderen). Hoewel het raakt aan een aantal geavanceerde wiskunde, richt het zich vooral op de mogelijke dingen die we kunnen leren door het analyseren van het CvB.
Het is niet verrassend dat veel van deze feiten veel te maken hebben met neutrino's. We weten nog steeds niet veel over hen, zoals Dr. Scott in zijn inleiding opmerkt. Waarom zijn er drie soorten? Hoe vergelijken ze elkaar? En wat bijzonder pijnlijk is voor deeltjesfysici is wat hun massa precies is.
Het CvB zou inzicht kunnen geven in al deze drie vragen en nog meer over de vorming van sterrenstelsels en de oerknal zelf. Laten we eerst eens kijken naar het gewicht van neutrino's. Een van de grootste vragen met betrekking tot gewicht is of de massa's van de drie soorten neutrino's van een "normale" of "omgekeerde" hiërarchie zijn. Deze twee toestanden veranderen welke van de drie typen de ‘kleinste’ is. In de normale hiërarchie is de massa van het derde neutrinotype veel groter dan de massa van de andere twee, die vrijwel gelijk zijn. In de omgekeerde hiërarchie zijn de massa's van de eerste twee typen nog steeds gelijkwaardig, maar veel massiever dan die van het derde type.
Zodra gegevens op het CvB zijn verzameld, kunnen astronomen de verwachte vorm van de golfvormen analyseren op basis van de aanname van een van beide hiërarchieën, maar uitzoeken welke het beste bij de waarneembare gegevens past. In astronomische termen is het eenvoudig genoeg, maar het verzamelen van die gegevens is nog steeds het moeilijkste deel. Als we echter de equivalente massa's van neutrino's kunnen beperken, kunnen we mogelijk een andere fundamentele kosmologische parameter berekenen:de som van al hun massa's.
Hoewel dat langetermijndoel nog ver weg is, zouden sommige vragen op grotere schaal beantwoord kunnen worden door eenvoudigweg het CvB in algemene zin te begrijpen. Metingen van het CvB kunnen ook bemoeilijkt worden door neutrino’s uit andere bronnen, zoals uit andere sterrenstelsels. Als we de parameters van het CvB zelf zouden begrijpen, zouden we dat deel van het signaal kunnen elimineren, waardoor we neutrino's die oorspronkelijk werden uitgezonden door sterrenstelsels buiten het onze nauwkeuriger konden analyseren. Met dat inzicht kunnen we enkele aannames over de vroege stadia van de vorming van sterrenstelsels bewijzen of weerleggen, vooral wat betreft de hoeveelheid energie die ze uitstoten.
Gegeven het feit dat neutrino's een rol spelen in alles, van ons begrip van donkere materie tot fundamentele vragen over deeltjesfysica, is het logisch dat meer dan één discipline deze factoren voor zichzelf probeert te bepalen. Deeltjesfysici, die vertrouwen op botsingen met hoge energie in deeltjesversnellers in plaats van op toevallige botsingen van neutrino's die naast het universum zijn ontstaan, proberen ook hun massa te begrijpen. Dr. Scott denkt dat een samenwerking tussen astronomen die de geheimen van het CvB willen ontrafelen en deeltjesfysici die van de grond af aan voldoende argumenten willen opbouwen voor de kenmerken van deze ongrijpbare deeltjes, nuttig zou kunnen zijn. Een paar weken doorbrengen in een Italiaanse villa en de nuances van hun vakgebied bespreken, klinkt zeker als een uitstekende manier om die samenwerking te starten.