Wat is de massa van een neutrino in rust? Dit is een van de grote onbeantwoorde vragen in de natuurkunde. Neutrino's spelen een centrale rol in de natuur. Een team onder leiding van Klaus Blaum, directeur van het Max Planck Instituut voor Kernfysica in Heidelberg, heeft nu een belangrijke bijdrage geleverd aan het "wegen" van neutrino's als onderdeel van de internationale ECHo-samenwerking. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Physics .

Met behulp van een Penning-val heeft het de verandering in massa van een holmium-163-isotoop met extreme precisie gemeten wanneer de kern een elektron vangt en verandert in dysprosium-163. Hieruit kon het de Q-waarde 50 keer nauwkeuriger bepalen dan voorheen. Met behulp van een nauwkeurigere Q-waarde kunnen mogelijke systematische fouten bij het bepalen van de neutrinomassa aan het licht worden gebracht.

In de jaren dertig bleek dat noch de energie- noch de momentumbalans correct zijn bij het radioactieve bèta-verval van een atoomkern. Dit leidde tot het postulaat van ‘spookdeeltjes’ die ‘in het geheim’ energie en momentum wegvoeren. In 1956 werd eindelijk experimenteel bewijs van dergelijke neutrino's verkregen. De uitdaging:neutrino's hebben alleen interactie met andere materiedeeltjes via de zwakke interactie die ook ten grondslag ligt aan het bèta-verval van een atoomkern.

Om deze reden kunnen honderden biljoenen neutrino's uit de kosmos, vooral de zon, elke seconde door ons lichaam passeren zonder enige schade aan te richten. Extreem zeldzame neutrino-botsingen met andere materiedeeltjes kunnen alleen worden gedetecteerd met enorme detectoren.

Zonne-neutrino's brachten nog een baanbrekende onthulling:de drie tot nu toe bekende soorten neutrino's kunnen in elkaar transformeren. Deze ‘neutrino-oscillaties’ hadden echter ernstige gevolgen voor het wereldbeeld van de deeltjesfysica. Vroeger werd aangenomen dat neutrino’s geen rustmassa hadden, zoals fotonen.

Dit zou verenigbaar zijn met het standaardmodel van de deeltjesfysica, de beste beschrijving van de deeltjeswereld tot nu toe. De oscillaties dwongen echter een rustmassa voor neutrino's af – een verdere indicatie dat er nieuwe natuurkunde moet bestaan ​​die verder gaat dan het standaardmodel.

Het kennen van de exacte rustmassa van het neutrino zou daarom een ​​open deur zijn naar de onbekende wereld van de nieuwe natuurkunde. Helaas kun je een neutrino niet zomaar op een schaal plaatsen. Dit vereist uiterst complexe experimenten met technisch toegankelijke fysische processen waarbij neutrino's betrokken zijn.

"Eén manier is het bèta-verval van tritium", legt Christoph Schweiger uit, promovendus op de afdeling van Klaus Blaum van het Max Planck Instituut voor Kernfysica. Hier vervalt een van de twee neutronen in het superzware waterstof tot een proton en zendt een elektron en een neutrino uit, waardoor het atoom in lichter helium wordt omgezet. Dit proces wordt "gewogen" door het KATRIN-experiment aan het Karlsruhe Institute of Technology.

"Het complementaire pad is de elektronenvangst van de kunstmatige isotoop holmium-163", vervolgt Schweiger. Hierbij vangt de atoomkern een elektron op uit de binnenste elektronenschil, waardoor een proton wordt omgezet in een neutron, waardoor het element dysprosium-163 ontstaat. Daarbij komt onder meer een neutrino vrij. Het internationale ECHo-samenwerkingsverband, waarbij de Heidelbergse wetenschappers betrokken zijn, probeert dit vervalproces energetisch met uiterste precisie te meten.

Volgens Einsteins E =mc ² , massa en energie zijn equivalent, dus het meten van energie kan worden gelijkgesteld met het wegen van massa's. Als ‘calorimeter’ meet ECHo uiterst nauwkeurig de totale energie die vrijkomt bij dit verval:dit komt overeen met een maximum van de Q-waarde minus de rustmassa van het vrijgekomen neutrino. Hiervoor wordt de isotoop holmium-163 in een laagje goudatomen ingebouwd.

‘Deze goudatomen zouden echter wel een invloed kunnen hebben op holmium-163’, legt Schweiger uit. "Het is daarom belangrijk om de waarde van Q zo nauwkeurig mogelijk te meten met behulp van een alternatieve methode en deze te vergelijken met de calorimetrisch bepaalde waarde om mogelijke systematische foutenbronnen op te sporen."

Dit is waar het Heidelberg pentatrap-experiment en het proefschrift van Schweiger in het spel komen. Pentatrap bestaat uit vijf Penning-vallen. In deze vallen kunnen elektrisch geladen atomen worden opgevangen in een combinatie van een statisch elektrisch en magnetisch veld.

Deze ionen voeren een ingewikkelde ‘cirkeldans’ uit, waardoor hun massa met uiterste precisie kan worden bepaald. “Bij een Airbus A-380 met maximale belasting zou je deze gevoeligheid kunnen gebruiken om te bepalen of er ook maar een enkele druppel water op is geland”, zegt de natuurkundige, die de mogelijkheden van deze superschaal illustreert.

In principe werkt een Penning-val als een schommel. Als je twee kinderen met verschillend gewicht naast elkaar op twee schommels van hetzelfde type zet en ze even hard duwt, zie je geleidelijk een verschuiving in de schommelfrequenties. Hiermee kan het verschil in gewicht tussen de twee kinderen worden berekend.

In het geval van het pentatrap-experiment is dit het verschil in massa tussen een holmium-163-ion en een dysprosium-163-ion. Bovendien geldt:hoe sneller beide kinderen zwaaien, hoe eerder het resultaat wordt verkregen, wat ook veel nauwkeuriger is voor dezelfde observatietijd dan voor langzaam zwaaien.

Om deze reden verwijderde het team in drie verschillende reeksen metingen 38, 39 en 40 elektronen uit de ‘sterk geladen’ ionen, waardoor hun ‘cirkeldans’ aanzienlijk sneller werd. "Als alles werkt, duurt een meting maar een paar weken", zegt Schweiger.

Uit de massaverschillen als gevolg van diverse frequentiemetingen, via E =mc ² de Heidelberg-wetenschappers waren eindelijk in staat een Q-waarde voor elektronenvangst te bepalen die 50 keer nauwkeuriger was dan voorheen. "De bijdrage van de drie theoriegroepen, waaronder de groep van Christoph Keitel hier op het instituut, was net zo belangrijk als onze meting", benadrukt Schweiger.

Naast het frequentieverschil tussen de twee ionen heeft een tweede variabele een grote invloed op de vastgestelde Q-waarde:de energie die is opgeslagen in het resterende elektronensysteem van een hooggeladen ion. Omdat zo'n groot ion een systeem met meerdere deeltjes is, was de berekening dienovereenkomstig complex.

Het bleek dat de berekeningen resulteerden in vrijwel exact dezelfde Q-waarden voor de drie gemeten ladingstoestanden met 38, 39 en 40 elektronen verwijderd. Dit maakte duidelijk dat systematische onzekerheden in experiment en theorie konden worden uitgesloten, benadrukt Schweiger enthousiast. En wat betekent dit voor de neutrinomassa's?

KATRIN bepaalde de meest nauwkeurige bovengrens tot nu toe van de neutrinomassa door te "wegen" met 0,8 elektronvolt per lichtsnelheid in het kwadraat, wat overeenkomt met een onvoorstelbare 0,00000000000000000000000000000000014 kilogram.

Deze orde van grootte is 10 ^-36 komt ongeveer overeen met de gewichtsverhouding tussen vier rozijnen en de zon. En dat is slechts een bovengrens. De analyse van de geschatte massaverdeling in het heelal komt zelfs uit op een aanzienlijk lagere bovengrens van de neutrinomassa's van 0,12 elektronvolt per kwadraat van de lichtsnelheid.

‘Deze analyse is echter zeer complex en hangt af van het gebruikte kosmologische model’, zegt Schweiger. Het is in ieder geval duidelijk dat iedereen die neutrino’s wil wegen, voor extreme uitdagingen staat op de grens van wat technisch mogelijk is. Tegen deze achtergrond is het resultaat van Heidelberg een grote stap voorwaarts op weg naar het oplossen van het mysterie van de neutrinomassa's.

Meer informatie: Directe, uiterst nauwkeurige Penning-trap-meting van de Q-waarde van de elektronenvangst in 163Ho voor de bepaling van de elektronenneutrinomassa, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02461-9

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Max Planck Society