Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer lekker? OF: Als ik het publiek vraag hoe lang het duurt voor het licht van de zon op de Aarde aankomt is het antwoord steevast: zo n 8 minuten oftewel zo n 500 seconden. OF: Stel dat ik nu de energiecentrale binnen in de Zon uit zet. Hoe lang duurt het dan voor wij de Zon zien doven? 8 minuten oftewel zo n 500 seconden hoor ik veel. Dat is namelijk/inderdaad wat je krijgt als je de afstand Aarde- Zon (150 miljoen km) deelt door de lichtsnelheid (300 duizend km/s). Vanaf de rand van de zon doet het licht er 8 minuten over. Echter: het duurt een paar honderd duizend jaar voor het licht wat vrijkomt in de kern van de zon, de rand van de zon bereikt! En dat is maar goed ook want anders zouden we permanent geröntgend worden. Doet de zon het nu nog wel? Die vraag gaan we beantwoorden. 1
Eerst een experiment. Ik schiet pijltje af. En nog een. Wat valt op? Pijltje komt er steeds met dezelfde snelheid ook. Je ziet het niet, maar ik voel het wel: ook het pistool klapt steeds een beetje terug. Natuurkundig noemen we dit een twee-deeltjesverval. Het geladen pistool valt uiteen in het wegschietende pijltje en het terug klappende pistool. Het leuke van een tweedeeltjesverval is dat de snelheden van de brokstukken altijd hetzelfde zijn. Die snelheden hangen natuurlijk wel van het systeem af: bij een echt pistool komt de kogel er veel sneller uit dan bij mijn pijltjespistool. 2
Nu een tweedeeltjesverval uit de elementairedeeltjesfysica: het verval van een neutron. Ja datzelfde neutron waar u voor ongeveer de helft uit bestaat! Maar schrik niet, in ons lijf zitten die neutronen vastgeklonken in koolstofkernen en zo. En dan vervallen ze niet. Maar dus wel als ik een neutron vrij op tafel leg. Dan ben je na een kwartier de helft kwijt! En wat heb je dan? Een proton en een elektron zoals in deze animatie? Dat dacht men. Echter: metingen laten zien dat het elektron lang niet altijd dezelfde snelheid heeft! Dat klopt dus niet met de theorie van een tweedeeltjesverval. Er waren zelfs natuurkundigen die de wet van behoud van energie op de vuilnisbelt wilden gooien. 3
4
5
Gelukkig niet iedereen. Wolfgang Pauli stelde in 1930 dat er in het verval naast het zichtbare proton en elektron nog een derde, elektrisch neutraal en extreem licht deeltje moest zijn. Hij noemde dit een klein neutron of op zijn Italiaans een neutrino. Dat neutrino zou vrijwel niet te detecteren zijn maar er wel voor zorgen dat energie behouden bleef. Zeg maar een boekhoud truc om experiment en theorie met elkaar in overeenstemming te brengen. En hier heb ik dan de verpersoonlijking van zo n neutrino. Hij heeft een boevenmasker op. Dit omdat hij energie steelt en zich lastig laat vangen. 6
7
Waarom is een neutrino zo moeilijk te detecteren? Omdat het eigenlijk alleen gevoelig is voor de zogenaamde zwakke kernkracht. En die is zoals zijn naam al zegt echt heel zwak. Heel veel zwakker dan b.v. de elektrische kracht en de sterke kernkracht. Om een idee te geven: een neutrino heeft er geen enkele moeite mee dwars door onze Aarde te schieten! Onvoorstelbaar. Omdat die neutrino s zo moeilijk te vangen zijn, moet je: - Of heel geduldig zijn d.w.z. lang meten; - Of een hele grote detector bouwen; - Of zorgen dat je naar heel veel neutrino s tegelijk kijkt! 8
Frederick Reines was zo n natuurkundige die als eerste een neutrino wilde detecteren. In de oorlog had hij gewerkt aan de ontwikkeling van de atoombom. Bij zo n atoomexplosie komen o.a. ontzettend veel neutrino s vrij. Reines dacht: ik plaats een detector vlakbij zo n explosie. Enige probleem was dat zijn detector weggeblazen zou worden. Daar had hij een ingenieuze oplossing voor. De detector zou op het moment van de klap in een diepe schacht vallen en meten tijdens de val. 9
Uiteindelijk vond hij dit toch te gecompliceerd en deed hij zijn meting bij een vriendelijkere bron van veel neutrino s: een kerncentrale. En daar detecteerde hij in 1956, ruim een ¼ eeuw na de neutrino hypothese van Pauli voor het eerst een neutrino! 10
Sindsdien hebben we een aantal eigenschappen van het neutrino geleerd. Allereerst spint het neutrino. Echter terwijl een elektron of linksom of rechtsom spint; spint het neutrino altijd linksom! Dat is ontzettend vreemd. Het betekent tevens dat het spiegelbeeld van een neutrino niet bestaat! (spiegel + tol) Iets wat we nog steeds niet weten is de exacte neutrino massa. We weten al wel dat ze extreem licht zijn. Veel lichter dan b.v. het elektron. 11
En nu terug naar de zon. De zon schijnt omdat hij massa omzet in energie via E=mc 2. Zeg maar: Einstein at work! Vier protonen d.w.z. waterstofkernen worden omgezet in twee protonen en twee neutronen oftewel een helium kern. Het op één na lichtste element. Een helium kern is net wat lichter dan de vier waterstofkernen. In die reacties in de zon komen naast energie ook neutrino s vrij. Omdat we exact kunnen meten hoeveel energie de zon uitstraalt, kunnen we ook exact voorspellen hoeveel neutrino s de zon moet uitstralen. 12
En dat zijn er heel veel! Iedere seconde blazen 63 miljard door het topje van je vinger! En niet alleen overdag, maar ook s nachts. Die neutrino s blazen zoals al gezegd moeiteloos dwars door de Aarde! Als goed experimenteel natuurkundige wil je die neutrino s van de zon graag meten. 13
Experimenten om neutrino s te meten staan op verschillende plaatsen op Aarde. Zonder uitzondering zijn ze allemaal megalomaan. Zo is op de Zuidpool een kubieke kilometer ijs voorzien van detectoren om neutrino interacties te registreren. Een kubieke kilometer! Op de bodem van de Middellandse Zee staat een vergelijkbare detector. Paar kilometer onder water voor de kust van Toulon in Frankrijk. Millennia hebben wij als mensheid het gewone licht van sterren bestudeerd. Net als onze Zon stralen ook al die andere sterren neutrino s uit. Stel je eens voor wat je allemaal zou kunnen leren als je met deze megalomane experimenten sterren kan gaan bekijken met een neutrino bril op! Toch ga ik het nu niet verder hebben over deze experimenten. 14
Ik ga het hebben over het KAMIOKANDE experiment. KAMIOKANDE is een cilinder gevuld met 50 miljoen liter water. De wand is volgeplakt met zo n 13 duizend licht detectoren zoals deze ene hier. Dit geheel bevindt zich een kilometer diep onder de grond in Japan. In dat rubberen bootje zitten Japanse technici die bezig zijn al die licht detectoren schoon te poetsen terwijl de cilinder langzaam gevuld wordt met water. In 2001 ging het even fout. Eén zo n glazen bol klapte tijdens het vullen met water in elkaar. Dat gaf en schokgolf en een paar minuten later lagen bijna alle 13 duizend licht detectoren in gruzelementen op de bodem. En konden ze opnieuw beginnen En dat is gelukt! Want nu meet KAMIOKANDE neutrino s vanuit de zon! 15
Dit werkt als volgt: heel af en toe reageert een neutrino van de zon in de watertank. Het neutrino verandert dan in een gewoon elektron. Dat elektron beweegt met hoge snelheid in de watertank. En net zoals een supersoon vliegtuig een knal geeft zodra hij door de geluidsbarrière gaat; geeft een elektron licht als het sneller gaat dan de lichtsnelheid. Wacht even: dat kan toch niet? Jawel hoor want in water is de snelheid van licht slechts 2/3 van de lichtsnelheid in vacuüm. En zelfs Einstein weerhoudt een elektron er niet van sneller te bewegen dan dat. In deze animatie ziet u het licht zoals het elektron dat uitstraalt. En op deze manier hebben ze in Japan neutrino s van de zon gemeten. Zo n 200 per dag. Ook gisteren. En in tegenstelling tot dat licht zippen die neutrino s wel met de lichtsnelheid vanuit de kern naar de Aarde! Dus u kunt er gerust op zijn dat de zon het gisteren nog deed! En dus ook nog een paar honderd duizend jaar ons blijft verwarmen. 16
OPTIONEEL En andere verrassing gebeurde in 1987. In dat jaar ontplofte dit miezerige sterretje! 17
OPTIONEEL En zagen de sterrenkundige opeens dit. Dit heet een supernova. Als dat gebeurt veranderen opeens alle protonen in de kern van de ster in neutronen. D.w.z. de ster wordt een neutronen ster. Bij elk proton wat een neutron wordt komt een neutrino vrij. Kortom: een supernova straalt een gigantische hoeveelheid neutrino s uit. In 1987 hebben we er zo n 10 gemeten! Een unieke gebeurtenis. 18
Samenvattend: Het elektron heeft een partner heeft: het extreem moeilijk te detecteren neutrino. De zon zendt giga veel neutrino s uit en dagelijks detecteren wij die nu op Aarde. En daarmee weten we zeker dat de zon nog minstens een paar honderd duizend jaar blijft schijnen! In het volgende college vertel ik u over een nog mysterieuzer deeltje: donkere materie 19
20
21