De Savoye-regio van Frankrijk is vooral bekend om zijn met sparren omzoomde skipistes en pittoreske bergdorpjes. Minder bekend is het feit dat, diep onder sommige van deze hellingen, wetenschappers onderzoeken een van de grootste mysteries in de natuurkunde:de oorsprong van materie.

De Fréjus-wegtunnel in de regio vervoert het verkeer tussen de Franse stad Modane en de Italiaanse stad Bardonecchia. Maak een ritje door de tunnel, en misschien zie je - in het midden - een bescheiden groene deur in de tunnelmuur. Deze stevige metalen deur scheidt de verstikkende, met diesel doordrenkte lucht van de wegtunnel uit de schone, gecontroleerde atmosfeer van het Laboratoire Souterraine de Modane, Europa's diepste ondergrondse laboratorium met een deeltjesfysica-experiment genaamd SuperNEMO.

De SuperNEMO-detector, ongeveer zes meter lang, vier meter hoog en drie meter breed, zit in een strak gecontroleerde schone ruimte om het te beschermen tegen besmetting door de minieme hoeveelheden natuurlijke radioactiviteit die aanwezig zijn in vuil en stof. De berg zelf biedt bescherming tegen de kosmische straling die het oppervlak van onze planeet voortdurend bombardeert. Een dergelijke bescherming is nodig, aangezien het de taak van SuperNEMO is om meer dan zeven kilo selenium te bewaken en te zoeken naar een van de zeldzaamste vormen van radioactiviteit die er is:dubbel bètaverval.

Alle radioactieve elementen zijn instabiel en vervallen (opgesplitst) naar een stabiele toestand door veranderingen in de atoomkern (die uit protonen en neutronen bestaat). Dubbel-bèta-verval is een proces waarbij twee neutronen in een seleniumkern gelijktijdig vervallen tot protonen, terwijl ze twee elektronen en twee deeltjes uitzenden die antineutrino's worden genoemd.

Antineutrino's zijn een voorbeeld van "antimaterie". Alle materiedeeltjes hebben antideeltjesversies van zichzelf - bijna identiek maar met tegengestelde lading. Wanneer een deeltje en een antideeltje elkaar ontmoeten, ze vernietigen in een flits van energie.

Raadselachtige deeltjes

Antineutrino's zijn raadselachtig. Neem de manier waarop ze draaien, bijvoorbeeld. Veel deeltjes draaien terwijl ze reizen, maar neutrino's lijken maar op één manier te draaien. Alle neutrino's draaien tegen de klok in terwijl ze reizen - en alle antineutrino's draaien met de klok mee. We hebben geen idee waarom dit het geval is.

Dan is er hun massa:neutrino's zijn er veel, vele malen lichter dan enig ander deeltje met massa - zo veel lichter dat we hun kleine massa nog niet direct hebben kunnen meten. Het neutrino is een uitbijter onder deeltjes - en als wetenschappers uitbijters zien, we kunnen het niet helpen, maar vermoeden dat er een diepere betekenis zit achter de inconsistentie die een diepe waarheid over de natuurwetten zou kunnen onthullen. De kiem van een theorie om de vele excentriciteiten van het neutrino te verklaren, ligt in een relatief alledaagse waarneming:in tegenstelling tot andere deeltjes, het neutrino heeft geen elektrische lading.

Maar zonder elektrische lading, hoe verschilt de antineutrino van de neutrino? Er is zeker wat verschil. De soorten neutrino's en antineutrino's waar SuperNEMO naar kijkt, zijn van het zogenaamde elektronentype. Wanneer de neutrino's interageren met materie, produceren ze negatief geladen elektronen, maar wanneer de antineutrino's interageren met materie, produceren ze positief geladen positronen, het antideeltje van het elektron. Maar voordat het neutrino of antineutrino interageert, hoe weet hij welke het is?

Deze diepgaande vraag bracht de Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana ertoe te overwegen of het neutrino en het antineutrino in feite precies hetzelfde deeltje kunnen zijn, gewoon in tegengestelde richting draaien.

Als de antineutrino's die zijn gecreëerd in het dubbele bètaverval waarnaar SuperNEMO op zoek is, het vermogen hebben om zich als neutrino's te gedragen, dan zou een van hen dat af en toe kunnen doen. Dat zou betekenen dat je een antineutrino en een neutrino naast elkaar had - wat zou betekenen dat ze elkaar konden vernietigen. Mocht dat gebeuren, de twee elektronen die bij het dubbel-bèta-verval worden geproduceerd, zouden een extra energiestoot krijgen van de vernietiging - en dat is waar SuperNEMO naar op zoek is:een kleine energiestoot waarvoor we opnieuw zouden moeten nadenken over hoe materie en antimaterie verband houden.

Geduld is de sleutel tot deze zoektocht. De halfwaardetijd van dubbel-bèta-verval in selenium - dat is de tijd die je zou moeten wachten voordat een atoom 50% kans heeft om vervallen te zijn - is 10 ²⁰ jaar. Dat is een 1 met 20 nullen erachter:neem de levensduur van het heelal en tel daar nog eens tien nullen bij op. En zelfs als er een dubbele bèta-verval plaatsvindt, de kans dat de twee antineutrino's vernietigen is klein - als het al gebeurt. Dat maken we goed door veel seleniumatomen in onze detector te hebben, maar toch kijken we uit naar slechts één of twee van dergelijke vervalsingen per jaar.

De oorsprong van materie

Als we zo'n radioactief verval zouden waarnemen, zouden we het succesvolle standaardmodel van deeltjesfysica moeten herschrijven. Dit zou op zich al een enorme ontdekking zijn. Het Standaardmodel bevat strikte regels, zogenaamde behoudswetten, over wat er wel en niet kan gebeuren bij deeltjesverval en interacties. Als onze twee antineutrino's vernietigen (omdat een van hen zich destijds als een neutrino gedroeg), dan zou het dubbele bètaverval twee materieachtige elektronen produceren en geen antimaterie om ze in evenwicht te brengen. Dat mag niet in het Standaard Model, wat vereist dat materie en antimaterie altijd in gelijke hoeveelheden worden geproduceerd.

Dit brengt ons bij een van de meest diepgaande vragen van de natuurkunde:waarom is er meer materie dan antimaterie in het universum? Je zou denken dat we het antwoord daarop al weten:de oerknal heeft alle materie voortgebracht. We zullen, Ja, ik deed het, maar het had ook een gelijke hoeveelheid antimaterie moeten produceren. Dus waarom hebben alle materie en antimaterie elkaar niet vernietigd om niets dan een zee van licht achter te laten?

Als het neutrino en antineutrino inderdaad hetzelfde deeltje zijn, het resulterende herziene standaardmodel zou je in staat stellen meer van deze neutrino-achtige deeltjes aan je model toe te voegen. Sommige van deze neutrino-achtige deeltjes zijn misschien eerder zwaar dan licht; en ik bedoel heel zwaar - zo zwaar dat de Large Hadron Collider ze niet heeft kunnen produceren, en zelfs zo zwaar dat ze alleen in de hete, dichte omstandigheden van het zeer vroege heelal.

Aangezien dit herziene standaardmodel een mechanisme heeft om de symmetrie tussen materie en antimaterie te doorbreken, deze superzware neutrino's hebben ook het vermogen om te "kiezen" om in materie te vervallen in plaats van antimaterie, het vroege heelal voorzien van de extra materie die we nu zien. Als dat niet zo was, alle materie en antimaterie zouden elkaar hebben vernietigd en er zouden geen sterren zijn, de planeten, en wij.

Dus als u ooit in de Savoie in Frankrijk bent, genieten van een après-ski na een dag op de piste, denk maar aan de SuperNEMO-detector - en de deeltjesfysici zoals ik, diep onder je, geduldig wachtend op dat radioactieve verval dat zou kunnen verklaren hoe je daar bent gekomen.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.