Het neutrino-elektron

Een elektron dat zijn elektrische lading zou hebben verloren

De eenvoudigste manier om zich een neutrino voor te stellen is een elektron dat zijn elektrische lading heeft verloren.
Om die reden worden de neutrino’s van radioactiviteit door natuurkundigen elektron-neutrino’s genoemd. Deze naam maakt het mogelijk om ze te onderscheiden van twee andere soorten neutrino’s, muon-neutrino’s en tau-neutrino’s.
Het elektron-neutrino is, samen met het elektron, een van de twee actoren van de bèta-radioactiviteit, een bijna onzichtbare actor, die uiterst moeilijk te detecteren is. In het meest voorkomende geval van beta-min-radioactiviteit treedt niet het neutrino op, maar zijn antideeltje, tan antineutrino-elektron. Het antineutrino-elektron is de partner van het positieve elektron of positron.

Quarks en leptonen
Het neutrino is het vierde lid van een familie van vier lichaampjes die een fundamentele rol speelt in de wereld om ons heen. De eerste twee zijn de quarks “up” en “down” componenten van nucleaire materie, de derde is het elektron. Natuurkundigen noemen leptonen het paar dat bestaat uit het elektron en het neutrino. Quarks en leptonen zijn te kleine lichaampjes om ooit met een microscoop te kunnen waarnemen.
IN2P3

Het elektron-neutrino is de elektron-partner in de familie van de 4 fundamentele bestanddelen van de materie. De andere twee leden van deze familie zijn de zogenaamde up- en down-quarks, de elementaire bestanddelen van protonen en neutronen en dus de uiteindelijke bestanddelen van de atoomkern. Elektron, elektron-neutrino, quarks up- en down-quarks vormen in de ogen van natuurkundigen de eerste generatie elementaire deeltjes.
Wat de quarks onderscheidt van het elektron en zijn neutrino is dat de eerstgenoemde gevoelig zijn voor de zeer sterke interacties die kernen cementeren. Quarks zijn dus moeilijk waar te nemen omdat ze gevangen blijven in nucleaire materie.
Elektronen en neutrino’s zijn niet gevoelig voor de sterke wisselwerking. Zij stijgen op om de wereld te ontdekken! Maar neutrino’s zijn bovendien elektrisch neutraal : zij hebben niet de elektrische lading die elektronen in staat stelt de elektronische wolk te vormen die de atoomkern omgeeft. Zij zijn alleen gevoelig voor de krachten die met name verantwoordelijk zijn voor de bèta-radioactiviteit, die de natuurkundigen zwakke wisselwerkingen noemen.
Iange tijd is aangenomen dat neutrino’s geen massa hebben (zoals fotonen). Recente experimenten hebben aangetoond dat zij een uiterst kleine massa hebben. Om een idee te geven: de massa van het neutrino-elektron is veel minder dan een miljoenste van de massa van het elektron, een deeltje dat al heel licht is.
Praktisch massaloze lichaampjes, reizen neutrino’s met de snelheid van het licht. Zo werd in 1987, samen met een minuscule lichtflits afkomstig van een verre supernova-explosie, de aankomst van een vleugje neutrino’s waargenomen… na een reis van 180.000 lichtjaar !

Links- en rechtshandige neutrino’s
Neutrino’s zoals elektronen en quarks hebben twee mogelijke toestanden van rotatie of spin. Slechts één van de twee toestanden wordt geproduceerd: de neutrino’s met een “linkshandige heliciteit”, zoals aangegeven in de figuur ten opzichte van de bewegingsrichting. Linkshandige neutrino’s worden niet waargenomen: zij worden niet geproduceerd en werken niet op elkaar in. In de wereld van de antimaterie is het omgekeerde het geval: alleen rechtlijnige antineutrino’s worden geproduceerd en waargenomen. Deze opmerkelijke eigenschap is een kenmerk van de zwakke wisselwerkingen.
IN2P3

Net als de elektronen hebben neutrino’s twee mogelijke rotatietoestanden (of spin), die linkshandige en rechtshandige heliciteit worden genoemd, wanneer de rotatie-as evenwijdig aan de bewegingsrichting wordt gekozen. Maar neutrino’s hebben alleen interactie via de zwakke krachten, waardoor de twee heliciteitstoestanden van elkaar worden onderscheiden (een verschijnsel dat natuurkundigen “pariteitsschending” noemen). Alleen linkshandige neutrino’s worden geproduceerd en waargenomen. Rechtshandige neutrino’s hebben geen wisselwerking met materie.
Neutrino’s hebben alleen wisselwerking met materie via deze zwakke krachten, hun waarschijnlijkheid (doorsnede genoemd) om te wisselwerken is extreem laag. Om een idee te geven van deze kleinheid: in hun experiment dat leidde tot de ontdekking van het neutrino in 1956, maten Reines en Cowan een doorsnede van 0,063 miljardste van een miljardste van een barn.
De barn is de eenheid die door natuurkundigen wordt gebruikt om doorsneden te meten. Bijvoorbeeld, de doorsnede van een neutronvangst door een uranium-238 kern is van de orde van een paar schuren. De neutrino-energieën in radioactieve vervalgevallen zijn over het algemeen lager dan 1 MeV. Zelfs de doorsnede van een neutrino van 1 MeV , ver boven deze die Reines en Cowan hebben gemeten, blijft uiterst laag. Dit verklaart waarom neutrino’s afkomstig van radioactief verval in de zon in staat zijn de aarde te passeren.

Een extreem lage interactiekans
De neutrino kans op interactie (doorsnede) met een proton of neutron neemt toe met de energie. De gegevens in de figuur geven deze toename van de interactiekans met de energie weer. De interactiewaarschijnlijkheid is uiterst laag voor de neutrino’s die door radioactiviteit worden geproduceerd. Door hun hoge energie is het veel gemakkelijker om neutrino’s te detecteren die in de bundels van grote deeltjesversnellers worden gevonden.
Image credit: J.W. Rohlf, opgehaald van http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Fysici hebben nog twee andere soorten neutrino’s gevonden, het muon-neutrino en het tau-neutrino. Het muon-neutrino is de metgezel van het muon, een zwaar elektron dat in kosmische straling wordt waargenomen. Het tau-neutrino is de metgezel van het tau, een superzwaar elektron (het weegt twee keer zoveel als het proton) dat in 1975 werd ontdekt door de Amerikaanse natuurkundige Martin Perl.
Een laatste aspect van deze fascinerende deeltjes ! Onder invloed van de zwakke wisselwerking kunnen neutrino’s zich omvormen tot andere soorten. Natuurkundigen zeggen dat zij “oscilleren”. Zo kan een in de zon geboren neutrino-elektron-neutrino bij zijn aankomst op aarde worden gedetecteerd als een muon-neutrino. Een waargenomen tekort aan elektron-neutrino’s van de zon is een van de bewijzen voor neutrino-oscillaties.
Toegang tot pagina in het frans