In 2009, toegepast natuurkundige Peter Sturrock was op bezoek bij de National Solar Observatory in Tucson, Arizona, toen de adjunct-directeur van het observatorium hem vertelde dat hij een controversieel artikel over radioactief verval moest lezen. Hoewel het onderwerp buiten Sturrocks veld lag, het inspireerde een gedachte die zo intrigerend was dat hij de volgende dag de auteur van de studie belde, Purdue University-fysicus Ephraim Fischbach, een samenwerking voorstellen.

Fischbach antwoordde:'We stonden op het punt u te bellen.'

Ruim zeven jaar later, dat samenwerking zou kunnen resulteren in een goedkoop tabletop-apparaat om ongrijpbare neutrino's efficiënter en goedkoper te detecteren dan momenteel mogelijk is, en zou het vermogen van wetenschappers om de innerlijke werking van de zon te bestuderen, kunnen vereenvoudigen. Het werk werd gepubliceerd in het nummer van 7 november van Zonnefysica .

"Als we gelijk hebben, het betekent dat neutrino's veel gemakkelijker te detecteren zijn dan mensen dachten, " zei Sturrock, emeritus hoogleraar toegepaste natuurkunde. "Iedereen dacht dat het nodig zou zijn om enorme experimenten te doen, met duizenden tonnen water of ander materiaal, dat kan gepaard gaan met enorme consortia en enorme kosten, en je zou een paar duizend tellingen per jaar kunnen krijgen. Maar we kunnen vergelijkbare of zelfs betere gegevens krijgen van een experiment met alleen microgram radioactief materiaal."

Waarom, hoe we neutrino's bestuderen

Twintig jaar lang, Sturrock en zijn collega Jeff Scargle, astrofysicus en datawetenschapper bij NASA Ames Research Center, neutrino's hebben bestudeerd, subatomaire deeltjes zonder elektrische lading en bijna nul massa, die kan worden gebruikt om meer te weten te komen over de binnenkant van de zon.

Kernreacties in de kern van de zon produceren neutrino's. Een uniek kenmerk van neutrino's is dat ze zelden interageren met andere deeltjes en dus gemakkelijk aan de zon kunnen ontsnappen, brengt ons informatie over het diepe zonne-interieur. Het bestuderen van neutrino's wordt beschouwd als de beste manier om directe informatie over het centrum van de zon te verkrijgen, wat verder grotendeels een mysterie is. Neutrino's kunnen ons ook informatie geven over supernova's, de schepping van het universum en nog veel meer.

Op aarde, in een gebied ter grootte van een vingernagel passeren elke seconde 65 miljard neutrino's. Maar slechts één of twee in een heel leven zullen daadwerkelijk in ons lichaam stoppen. Het bestuderen van neutrino's brengt enorme apparatuur en kosten met zich mee om genoeg van de ongrijpbare deeltjes op te vangen voor onderzoek.

Momenteel, de gouden standaard voor neutrino-detectie is de Japanse Super-Kamiokande, een prachtig observatorium van $ 100 miljoen. In gebruik sinds 1996, Super-Kamiokande ligt 1, 000 meter onder de grond. Het bestaat uit een tank gevuld met 50, 000 ton ultrazuiver water, omringd door ongeveer 13, 000 fotovermenigvuldiger buizen. Als een neutrino het water ingaat en daar interageert met elektronen of kernen, het resulteert in een geladen deeltje dat sneller beweegt dan de lichtsnelheid in water. Dit leidt tot een optische schokgolf, een lichtkegel genaamd Cherenkov-straling. Dit licht wordt op de wand van de tank geprojecteerd en geregistreerd door de fotomultiplicatorbuizen.

Uitdagingen uit het verleden bij detectie

De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2002 werd toegekend aan Masatoshi Koshiba van Super-Kamiokande en Raymond Davis Jr. van Homestake Neutrino Observatory voor de ontwikkeling van neutrinodetectoren en 'voor de detectie van kosmische neutrino's'. Een verwarrend detail van dit werk was dat, met hun baanbrekende detectiemethoden, ze detecteerden een derde tot de helft zoveel neutrino's als verwacht, een probleem dat bekend staat als het 'zonne-neutrino-probleem'. Men dacht eerst dat dit tekort te wijten was aan experimentele problemen. Maar, zodra het werd bevestigd door Super-Kamiokande, het tekort werd als reëel aanvaard.

Het jaar voorafgaand aan de Nobelprijs echter, wetenschappers hebben een oplossing aangekondigd voor het probleem van zonne-neutrino's. Het bleek dat neutrino's oscilleren tussen drie vormen (elektron, muon en tau) en detectoren waren voornamelijk gevoelig voor alleen elektronenneutrino's. Voor de ontdekking van deze trillingen, de Nobelprijs voor natuurkunde 2015 werd toegekend aan Takaaki Kajita van Super-Kamiokande en Arthur B. MacDonald van het Sudbury Neutrino Observatory.

Zelfs met deze Nobelprijswaardige ontwikkelingen op het gebied van onderzoek en apparatuur tot hun beschikking, wetenschappers kunnen nog steeds slechts een paar duizend neutrino-gebeurtenissen per jaar detecteren.

Een nieuwe optie voor onderzoek

Het onderzoek waarover Sturrock in Tucson vernam, betrof fluctuaties in de vervalsnelheid van radioactieve elementen. De fluctuaties waren destijds zeer controversieel omdat men dacht dat de vervalsnelheid van elk radioactief element constant was. Sturrock besloot deze experimentele resultaten te bestuderen met behulp van analytische technieken die hij en Scargle hadden ontwikkeld om neutrino's te bestuderen.

Bij het onderzoeken van de radioactieve vervalfluctuaties, het team vond bewijs dat die fluctuaties overeenkwamen met patronen die ze hadden gevonden in Super-Kamiokande neutrino-gegevens, elk wijst op een oscillatie van een maand die kan worden toegeschreven aan zonnerotatie. De waarschijnlijke conclusie is dat neutrino's van de zon rechtstreeks van invloed zijn op bètaverval. Deze verbinding is getheoretiseerd door andere onderzoekers die 25 jaar teruggaan, maar de Sturrock-Fischbach-Scargle-analyse voegt het sterkste bewijs tot nu toe toe. Als deze relatie stand houdt, een revolutie in het neutrino-onderzoek zou aan de gang kunnen zijn.

"Het betekent dat er een andere manier is om neutrino's te bestuderen die veel eenvoudiger en veel goedkoper is dan de huidige methoden, ' zei Sturrock. 'Sommige gegevens, wat informatie, je krijgt niet van bètaverval, maar alleen van experimenten zoals Super-Kamiokande. Echter, de studie van bèta-vervalvariabiliteit geeft aan dat er een andere manier is om neutrino's te detecteren, een die je een ander beeld geeft van neutrino's en van de zon."

Sturrock zei dat dit het begin zou kunnen zijn van een nieuw veld in neutrino-onderzoek en zonnefysica. Hij en Fischbach zien de mogelijkheid van benchtop-detectoren die duizenden in plaats van miljoenen dollars zouden kosten.

De volgende stappen zijn voorlopig om meer en betere data te verzamelen en toe te werken naar een theorie die kan verklaren hoe al deze fysieke processen met elkaar samenhangen.