Wetenschapsforum

Ik heb in verband met mijn laatste artikel een stuk tekst gevonden over neutrino's en superpositie en dergelijke (zie verder), kan iemand dit een beetje eenvoudiger uitleggen?:

Het tekort aan zonneneutrino's

Verdieping

Bij de energieproductie in de zon worden uit waterstof zwaardere kernen geproduceerd. Hiervoor moet netto een aantal protonen worden omgezet in neutronen. Bij dit proces, dat via de zwakke wisselwerking verloopt komen neutrino's vrij. De totale neutrinoproductie van de zon hangt direct samen met de geproduceerde energie, die nauwkeurig gemeten kan worden.

In de afgelopen 40 jaar is er een reeks neutrinodetectoren gebouwd, met een steeds grotere betrouwbaarheid en betere richtigsgevoeligheid. Neutrino-astronomie is hierdoor een opkomende tak van onderzoek.

Al snel werd echter duidelijk dat er veel minder zonneneutrino's werden waargenomen dan verwacht, en deze waarneming werd steeds weer bevestigd, ook door de steeds beter wordende detectoren. Ofwel de theorieën over de zon zaten er helemaal naast, ofwel er was iets aan de hand met de neutrino's zelf.

De conclusie die op dit moment steeds meer onvermijdelijk lijkt te worden is dat neutrino's massa hebben. Deze massa moet in ieder geval heel klein zijn, anders was hij in deeltjesexperimenten al lang gemeten. Tientallen jaren werd gedacht dat massaloze deeltjes zijn, zoals het foton maar dit blijkt dus niet te kloppen.

Neutrino-oscillaties

De vraag waar we nu naar zullen kijken is hoe het waargenomen tekort aan zonneneutrino's kan leiden tot een conclusie over hun massa.

De eerste stap in de redenering is de veronderstelling dat het waargenomen neutrinotekort wordt veroorzaakt doordat het geproduceerde neutrino een superpositie is van verschillende soorten neutrino's. De omzetting van een proton in een neutron vindt plaats via de reacties

figuur 84

u → d+ W+

W+ → νe+ e+

Volgens de theorie over quark-mixing via de cabibbohoek moet hierin het d worden vervangen door het d'. Het is niet vreemd om te veronderstellen dat neutrino's onderhevig zijn aan een soortgelijke vorm van mengen. Het νe zou dan vervangen moeten worden door een νe', dat een of andere superpositie zou zijn van νe, νμ en ντ.

De volgende stap in de redenering is νe, νμ en ντ verschillende massa's zouden moeten hebben. De reden dat dit belangrijk is, is dat ze hierdoor verschillende frequenties krijgen. Neutrino's zijn quantumgolven, met een frequentie die afhangt van de energie, volgens E = hf. Als alle componenten van de superpositie dezelfde frequentie hebben hebben dan heeft het mengen geen merkbare invloed. Bij ongelijke frequenties ontstaan er echter zwevingen (oscillaties), net als bij muziektonen die net een beetje verschillen. Voor de quantumgolf van het geproduceerde neutrino betekenen deze oscillaties dat onderweg de samenstelling schommelt.

In de neutrinodetector wordt het neutrino waargenomen via de reactie

figuur 85

νe' → e-+ W+

Door de veranderende samenstelling is het oorspronkelijke νe' echter niet meer hetzelfde νe'. Het ene moment is de kans groter om het als elektronneutrino aan te treffen, het andere moment is de kans op een muon- of een tauonneutrino groter. Als de detector gevoelig is voor maar één type neutrino's, ofwel νe', ofwel νμ', ofwel ντ', dan zal de detector er dus te weinig waarnemen.

De laatste stap in de redenering is dat als de massa's van νe, νμ en ντ ongelijk zijn, dan kunnen ze niet (allemaal) nul zijn. Tenminste sommige typen neutrino's moeten dus massa hebben. Toekomstig onderzoek zal moeten uitwijzen of deze theorie klopt, hoe groot de massa's zijn, en welke waarden de menghoeken hebben.