Doet onze zon het morgen nog? D.w.z. schijnt hij morgen ook weer lekker? 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. Dat is namelijk wat je krijgt als je de afstand Aarde-Zon (150 miljoen km) deelt door de lichtsnelheid (300 duizend km/s). En inderdaad vanaf de rand van de zon doet het licht er 8 minuten over. Echter: het duurt enkele 100 duizenden jaren 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. Maar doet de zon het nu nog wel? Die vraag gaan we nu beantwoorden. 1
Eerst een simpel experiment. Ik schiet pijltje af. En nog een. Wat valt op? Pijltje komt er steeds met dezelfde snelheid ook. Jullie zien het niet, maar ik voel het wel: het pistool klapt ook steeds een beetje terug. Natuuurkundig noemen we dit een tweedeeltjesverval. Het geladen pistool valt uiteen in het wegschietende pijltje en het terugklappende pistool. Het leuke van een tweedeeltjesverval is dat de snelheden van de brokstukken altijd hetzelfde zijn d.w.z. een unieke waarde hebben. Die natuurlijk per systeem kan verschillen: bij een echt pistool komt de kogel er veel sneller uit dan bij dit pijltjespistool. 2
Nu een tweedeeltjesverval uit de elementairedeeltjesfysica: het verval van een neutron. Ja schrik niet: de helft van dat waar u uit bestaat is instabiel: de neutronen. Gelukkig niet als ze vastgeklonken zitten in een koolstofkern of zo. Maar wel als ik ze vrij op tafel legt. Dan ben je na een kwartier de helft kwijt! En wat heb je dan? Een proton en een elektron zoals in deze animatie? Dat geloofde men lang. Echter: het elektron heeft lang niet altijd dezelfde snelheid (en dus energie). Er waren natuurkundigen die de wet van behoud van energie op de vuilnisbelt wilden gooien. Gelukkig niet iedereen. Wolfgang Pauli stelde 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 boekhoudkundige truc. 3
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 en heel veel zwakker dan de b.v. de elektrische kracht of de sterke kernkracht. Om een idee te geven: een typisch neutrino vliegt rustig door een kolom water van 1000 lichtjaar lang. Is dat veel? Ja heel veel: namelijk tien miljard miljard meter. Een 1 met 19 nullen meter. Kortom als je een neutrino wilt detecteren moet je: - Of een hele grote detector bouwen; - Of heel lang wachten; - Of zorgen dat je naar heel veel neutrino s tegelijk kijkt! 4
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. 5
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! 6
Sindsdien hebben we een aantal eigenschappen van het neutrino geleerd. Allereerst hebben net zoals het elektron spin. Echter terwijl een elektron of linksom of rechtsom spint; spint het neutrino alleen linksom (en het anti-neutrino alleen rechtsom)! Dat is ontzettend vreemd. Het betekent tevens dat het spiegelbeeld van een neutrino niet bestaat! (spiegel + tol) Verder hebben we ontdekt dat er meerdere soorten neutrino s zijn. Pauli s neutrino is gelieerd aan het elektron en heet daarom het elektron-neutrino. Ook het muon deeltje heeft zijn neutrino: het muon-neutrino. En ook het tau deeltje: het tau-neutrino. Iets wat we nog steeds niet weten zijn de exacte massa s van deze neutrino s. We weten alleen dat ze extreem licht zijn. 7
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. De zon kan met zijn waterstofvoorraad zo n 10 miljard jaar vooruit. Daarna gebeuren er akelige dingen. In die reacties in de zon komen naast energie ook twee elektron 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. 8
Dat is aftelezen in deze illustratie. Voor de zojuist beschreven reactie betekent dat dat er ieder seconde door het topje van je vinger 63 miljard neutrino s blazen. 63 miljard! En niet alleen overdag, maar ook s nachts. Die neutrino s blazen namelijk ook moeiteloos door de hele Aarde heen! In de zon vinden ook nog een aantal complexere reacties plaats die ook neutrino s genereren. Dat zijn de andere rode lijnen in de illustratie. Als goed experimenteel natuurkundige wil je die neutrino s van de zon graag meten. 9
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. Op de bodem van de Middellandse Zee staat een vergelijkbare detector. Daar ga ik het niet over hebben. 10
Ik ga het hebben over dit experiment: 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 ergens 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. Het is dit experiment, het KAMIOKANDE experiment, waarmee neutrino s komend vanuit de zon goed gemeten worden. 11
Dit werkt als volgt: heel af en toe interageert een neutrino van de zon in de watertank. Het elektron-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. Als u de kans krijgt moet u eens gaan kijken bij de kerncentrale in Petten: daar kunt u dit zelf aanschouwen: een blauwe gloed. 12
Klopt het gemeten aantal neutrino s nu met wat we verwachten? Het verrassende antwoord is: NEE! 13
Lang dachten mensen zoals ik dat die sterrenkundigen gewoon de zon niet goed genoeg begrepen. Het bleek echter dat wij onze neutrino s niet goed begrepen! Onderweg van de Zon naar de Aarde blijken die neutrino s gewoon soms van smaak te veranderen! Niet zoet-zuur-zout. Maar van elektron naar muon of tau en andersom. Heel vreemd. Maar gebeurt wel. En omdat de KAMIOKANDE detector alleen goed de elektron-neutrino s meet misten we er een heleboel. Maar dat snappen nu. 14
En andere verrassing gebeurde in 1987. In dat jaar ontplofte dit miezerige sterretje! 15
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 gebeurtenissen. U bent vast niet onder de indruk. Ik wel. 16
Tenslotte: nog even het belang neutrino s in prille universum: toen het heet was bleven neutronen en protonen in balans door al die botsingen met neutrino s. Terwijl het universum afkoelde werd de energie van de neutrino s steeds minder. Op een gegeven moment onvoldoende om van een proton het zwaardere neutron te maken. D.w.z. er werden geen nieuwe neutronen meer gemaakt. Terwijl de neutronen lekker bleven verdwijnen (vervallen). Als dat lang door zou gaan dan houd je alleen protonen over. Protonen zijn waterstof kernen. Dus dan bestaat het hele Universum alleen uit waterstof. Nou dat is voor 75% waar. De rest is helium: het op één na lichtste element. Dat er naast waterstof zo n 25% helium is komt omdat terwijl de neutronen vervallen het universum verder afkoelt. En opeens is het universum zo koel dat de neutronen die er dan nog zijn gaan klonteren tot bijvoorbeeld helium kernen. En dan zijn de neutronen lekker opgesloten en vervallen dus niet meer! En onze Aarde en wij? Wij bestaan niet uit waterstof en helium maar uit een hele serie zwaardere elementen. Waar komen die vandaan? Uit zo n supernova die ik net liet zien. In die zin zijn we niets anders dan het afvalproduct van een ster! 17
En hierbij dan het complete plaatje voor de materie deeltjes in ons universum! Althans voor zover we het nu weten. 18
En: Doet onze zon het morgen nog? Ja, want gisteren hebben we nog 200 neutrino s vanuit de zon gemeten. En in tegenstelling tot dat licht zippen die neutrino s wel met de lichtsnelheid vanuit de kern naar de Aarde! 19