Wat weegt een neutrino? (video)

Neutrino’s behoren tot de meest raadselachtige deeltjes in het heelal. Hoewel ze alomtegenwoordig zijn, hebben ze bijna nooit interactie met materie. In de kosmologie beïnvloeden ze de vorming van grootschalige galactische structuren, terwijl in de deeltjesfysica hun minuscule massa dient als indicator van voorheen onbekende fysische processen. Daarom willen natuurkundigen de neutrino-massa nauwkeurig meten.

Dit is precies waar het Katrin-experiment en zijn internationale partners om de hoek komen kijken.

Katrin, de hogeprecisieschaal van het KIT, gebruikt het bètaverval van tritium, een onstabiele waterstofisotoop, om de massa van neutrino’s te meten. De energieverdeling van de elektronen die het resultaat zijn van het verval, maakt een directe kinematische bepaling van de neutrino-massa mogelijk. Om dit te bereiken zijn zeer geavanceerde technische componenten nodig: de 70 meter lange bundellijn herbergt een intense tritiumbron en een hoge-resolutie spectrometer met een diameter van 10 meter. Deze geavanceerde technologie biedt een ongekend precisieniveau voor directe metingen van neutrino-massa’s.

Minder dan 0,45 elektronvolt

Met de huidige gegevens van het Katrin-experiment kon een bovengrens van 0,45 elektronvolt (eV)/c2 (wat overeenkomt met 8 x 10-37 kilogram) worden afgeleid voor neutrinomassa. Vergeleken met de laatste resultaten uit 2022 kon de bovengrens dus met bijna een factor twee worden verlaagd.

Verder zijn de onderzoekers optimistisch over de toekomst: “Onze metingen van neutrino-massa zullen doorgaan tot eind 2025. Door de voortdurende verbetering van het experiment en de analyse, en door een grotere dataset, verwachten we een nog hogere gevoeligheid te bereiken – en mogelijk baanbrekende nieuwe ontdekkingen te doen,” aldus het Katrin-team.

“Katrin is nu al wereldleider op het gebied van directe metingen van neutrino-massa’s en alleen al de eerste gegevens hebben de resultaten van eerdere experimenten met een factor vier overtroffen. De nieuwste bevindingen geven aan dat neutrino’s minstens een miljoen keer lichter zijn dan elektronen, de lichtste elektrisch geladen elementaire deeltjes. Het verklaren van dit enorme massaverschil blijft een fundamentele uitdaging voor de theoretische deeltjesfysica.”

Katrin en Tristan

Naast de precieze meting van de neutrinomassa is Katrin al bezig met het plannen van de volgende fase. Vanaf 2026 wordt een nieuw detectorsysteem, Tristan, geïnstalleerd. Deze upgrade van het experiment zal het mogelijk maken om te zoeken naar “steriele neutrino’s”, hypothetische deeltjes die nog minder interactie vertonen dan de bekende neutrino’s. Deze deeltjes hebben een massa in de keV/c-klasse. Met een massa in het keV/c²-bereik zijn steriele neutrino’s een potentiële kandidaat voor de deeltjes waaruit donkere materie bestaat. Daarnaast zal Katrin ++ een onderzoeks- en ontwikkelingsprogramma lanceren om concepten te ontwikkelen voor een experiment van de volgende generatie dat nog preciezere directe metingen van de neutrinomassa kan uitvoeren.