Nobelprijs natuurkunde gaat naar ontdekkers 'identiteitswisseling' neutrino's

De Nobelprijs voor de natuurkunde gaat dit jaar naar de Japanner Takaaki Kajita en de Canadees Arthur B. McDonald voor het kunnen aantonen van de 'identiteitswisseling' van neutrino's, ook wel bekend als 'spookdeeltjes'. De verwisseling toont aan dat ook neutrino's massa hebben.

De toekenning van de prijs werd dinsdag bekendgemaakt, maar de wetenschappers ontdekten de neutrino-oscillatie of neutrinoschommeling al rond het jaar 2000. Kajita toonde toen aan dat neutrino's uit de atmosfeer tussen twee 'identiteiten' wisselen. De ontdekking werd gedaan met behulp van de Super-Kamiokande-detector in Japan. Rond dezelfde tijd ontdekte een onderzoeksgroep in Canada onder leiding van McDonald dat neutrino's afkomstig van de zon niet verdwenen op hun weg naar aarde, maar dat ze op aarde aankwamen en geobserveerd konden worden met een andere 'identiteit' in het Sudbuy Neutrino Observatory.

Beide waarnemingen bevestigden lang gekoesterde vermoedens, wat weer leidde tot de conclusie dat neutrino's toch massa bezitten. Dit is in tegenstelling tot theorieën die tot dan toe gangbaar waren, waarin neutrino's geen massa bezitten. Dat laatste leidde tot hoofdbrekens binnen het standaardmodel.

Neutrino's worden gevormd door reacties tussen de kosmische straling en de atmosfeer van de aarde. Andere neutrino's ontstaan weer door nucleaire reacties in de zon. Elke seconde gaan er biljoenen neutrino's tegelijk door een persoon heen. Omdat vrijwel niets ze kan stoppen, zijn ze lastig waar te nemen en te onderzoeken. Om ze te detecteren, bouwden verschillende instituten op de wereld detectoren in ondergrondse mijnen. Zowel de Japanse als de Canadese detector bestaat uit een met water gevulde ruimte diep onder in oude mijnen. De Japanners kijken naar neutrino's die aan de voor hun andere kant van de aarde de atmosfeer binnenkwamen, terwijl de Canadezen kijken naar neutrino's direct uit de atmosfeer vanaf de zon. Een neutrino uit de zon blijkt bijvoorbeeld te veranderen van een elektron-neutrino naar een muon- of tau-neutrino.

Sudbuy Neutrino Observatory - Super Kamiokande-detector

Reacties (22)

[Rannasha]

Leuk, hier heb ik tijdens het eerste jaar van mijn studie nog een poster over gemaakt Dat was in 2003, dus toen was het nieuws nog vrij vers van de pers. Overigens bestaat het idee al een stuk langer, echter bleef de experimentele bevestiging lang op zich wachten.

De meeste fundamentele deeltjes uit het standaardmodel zijn op te delen in 3 families. De eerste familie is het bekendst, deze bevat up- en down-quarks, de bouwstenen van protonen en neutronen, elektronen en (elektron-)neutrino's. De andere 2 families hebben voor elk van deze deeltjes een tegenhanger (zo zijn muonen en tau-deeltjes de equivalenten van elektronen uit de andere families). Er zijn dus ook 3 soorten neutrino's: elektron-neutrino's, muon-neutrino's en tau-neutrino's.

Aanvankelijk werd verondersteld dat een elektron-neutrino altijd een elektron-neutrino zou blijven, en hetzelfde voor de overige neutrino's. Maar dat leverde problemen op met de waarnemingen. De zon produceert gigantische hoeveelheden elektron-neutrino's en ondanks dat neutrino's vrijwel niet reageren met andere deeltjes, komen er dusdanig veel van de zon af dat we ze toch enigszins kunnen tellen. Toen dit gedaan werd, bleek dat het aantal gemeten neutrino's slechts een derde was van wat werd voorspeld aan de hand van de fusie-reacties in de zon.

Een andere vreemde meting kwam van het Super-Kamiokande experiment in Japan (ook genoemd in het artikel). Dit experiment meet (onder andere) neutrino's die geproduceerd worden in vervalproducten van kosmische deeltjes die de atmosfeer binnenkomen met hele hoge energieen. De meting toonde een significant verschil tussen kosmische straling "van bovenaf" (dus die in de atmosfeer boven het experiment binnen kwam) en "van onderaf" (neutrino's die aan de andere kant van de aarde werden geproduceerd en door de aarde heen het experiment bereikten).

De uiteindelijke verklaring voor beide verschijnselen is dat neutrino's, terwijl ze zich voortbewegen, periodiek van familie veranderen. Een oscillatie dus. Waar je oorspronkelijk begint met, bijvoorbeeld, elektron-neutrino's, zul je als je voldoende ver weg staat een mengsel van de 3 soorten neutrino's meten.

Een belangrijke conclusie hieruit was dat dit verschijnsel alleen plaats kan vinden als neutrino's deeltjes zijn die massa hebben. Eerder werd aangenomen dat neutrino's massaloos waren, maar dat is inmiddels dus niet meer het geval. De precieze massa van neutrino's is nog steeds niet bepaald, maar er zijn wel bovengrenzen voor de massa, die heel erg laag zijn.

[rvt1]

Rannasha,

Is het bekend wat de oorzaak en frequentie is van deze wissel?

[Anoniem: 432173]

je kan niet echt spreken over een frequentie. Je kan enkel de kans uitrekenen dat een oscillatie heeft plaatsgevonden na het afleggen van x afstand.
De oorzaak zit in het feit dat de deeltje/smaak-eigentoestanden niet samenvallen met de massa-eigentoestanden voor de neutrino's en daardoor gaan opmixen.

[letatcest]

Dank voor de extra uitleg :-)

Ik kon niet helemaal wijs worden uit hoe het nou zit met het standaardmodel en de wijzigingen die zijn ontstaan sinds het bevestigen van een massa voor neutrino's binnen het standaardmodel. Nou meen ik dat men daar nog niet helemaal uit is, toch?

[Anoniem: 432173]

Voor het standaard model is het verschil tussen een massaloos deeltje en een non-zero mass deeltje niet zo groot. Die aanpassingen waren trouwens al lang klaar vooraleer het experimentele bewijs er was voor de massa van het neutrino.

Mocht morgen bewijs gevonden worden dat het foton een massa heeft, is het gewoon kwestie van de uitdrukking voor het standaard model een beetje aan te passen maar de fysica van het SM veranderdt daar niet door.

[hansg]

Ik las ook nog ergens (http://science.slashdot.o...nese-canadian-researchers) dat dit consequenties heeft voor (onze kennis over) de expansie van het universum. Weet iemand wat dat concreet inhoudt?

[Alxndr]

Dank voor de verhelderende toevoeging, zulke reacties maakt tweakers.net tot de beste site in zijn soort! iedereen al gestemd?

sorry, verder niets on-topic

[TechNico]

Wat ik me dan weer afvraag
Waarin verschillen de neutrino's onderling in van elkaar?
En kan een neutrino terugkeren naar zijn oorspronkelijke identiteit? OF zijn er gewoon 2 of 3 stadia.

En hoe sluit je nu weer uit dat er nog meer identiteiten zijn?
Vragen, vragen vragen. ..

[Denni]

Waarin verschillen de neutrino's onderling in van elkaar?

Ondertussen weten we dat de massa onder andere verschilt. Maar er zijn nogal wat andere eigenschappen waardoor er onderscheid te maken valt. Ze ontstaan bijvoorbeeld bij verschillende processen. Zo ontstaat een elektron-neutrino altijd in combinatie met een elektron (bijvoorbeeld bij beta-verval, etc.

En kan een neutrino terugkeren naar zijn oorspronkelijke identiteit? OF zijn er gewoon 2 of 3 stadia.

Ja dat kan, de reden dat dit oscillatie heet is dat de toestand zelf oscilleert. Als je dus een stuk verder staat zul je weer de originele toestand waarnemen. Het is één toestand die met de tijd oscilleert.

En hoe sluit je nu weer uit dat er nog meer identiteiten zijn?

Er is een simpel antwoord: we hebben er nog geen gezien. Je kunt met behulp van de huidige theorie dat als er nog meer generaties bestaan die veel zwaarder zullen zijn dan alle huidige gevonden deeltjes. Aangezien de massa van neutrino's dicht bij nul ligt, ligt dat niet voor de hand. Maar; het zou kunnen. Ze zullen echter niet zomaar mee gaan doen met deze oscillatie (of maar een enorm klein effect hebben).

[Rudie_V]

Nu nog uitzoeken waar de massaverandering blijft als ze van smaak veranderen. En neutrino's worden als elementaire deeltjes gezien, maar als ze van smaak en daarmee massa kunnen veranderen begin ik me af te vragen of neutrino's wel elementaire deeltjes zijn of dat ze uit weer andere kleinere deeltjes bestaan.

Hoe dan ook: wel gefeliciteerd!

[Reactie gewijzigd door Rudie_V op 22 juli 2024 19:27]

[Left]

Volgens mij veranderen neutrino's niet van massa als ze van identiteit veranderen. Er staat in elk geval niets daarover in het artikel.

[Rudie_V]

Maar ze hebben wel een verschillende massa.
https://nl.wikipedia.org/wiki/Neutrino#Massa

Elektron-neutrino Elektron-antineutrino <2,5 eV/c²
Muon-neutrino Muon-antineutrino <170 keV/c²
Tau-neutrino \nu_\tau Tau-antineutrino <18 MeV/c²

[Rannasha]

Dat zijn de bovengrenzen voor de massa's van de drie verschillende neutrino-soorten. De precieze waardes zijn nog niet bekend. Die zouden dus gelijk kunnen zijn, al is dat onwaarschijnlijk.

[Denni]

Hoewel we het natuurlijk niet kunnen weten (immers dachten we altijd dat moleculen elementair waren, daarna atomen, daarna atoomkernen, daarna protonen/neutronen en daarna pas de quarks), misschien is er inderdaad nog iets, is dit fenomeen heel erg goed te verklaren met de huidige theorie.

Waar dit vandaan komt is het feit dat de neutrino deeltjes-toestand, geen energie-eigentoestand is. Dit houdt in dat de toestand door de tijd heen niet constant blijft (dit is alleen bij energie eigentoestanden het geval). Bij de meeste elementaire deeltjes is de deeltjestoestand (wat we meten) ook direct de energie-eigentoestand.

[itcouldbeanyone]

wat ik nog steeds nooit zal begrijpen.
quarks is tegenwoordig het kleinste wat we hebben waargenomen.
echter zijn er 2 stellingen naar mijn ide mogelijk.
1. of er bestaat oneindig klein.
2. of zodra we van deeltje naar deeltje reizen, is de snelheid oneindig hoog.

ter uitleg, stel je hebt deeltje A en deeltje B
laten we er vanuit gaan, dat deeltje A en deeltje B het kleinste deeltje is wat je tegen kunt komen.

de afstand tussen deeltje A en deeltje B kan daarom nooit kleiner zijn dan de diameter van deelte A /B.

als we ervanuit gaan dat deze deeltjes het kleinste is wat er bestaat.
en ik reis van A naar B, dan is de snelheid even tussen dat gedeelte onbeperkt. oftewel elke keer een paar miljoenste van een picometer verplaatsing.(teleportation)

object B zou dan door bepaalde krachten je een bepaalde tijd moeten vast houden, voordat je "getransporteerd" wordt naar deeltje C.
zodat de uiteindelijke snelheid niet sneller is dan het licht.

wat de mogelijkheid zou kunnen bieden, om direct van A naar C te gaan, door deel B af te stoten.

als er wel een oneindig klein bestaat, zou het betekenen dat deeltjes die wij waarnemen gelocked zijn in een bepaalde spectrum van formaten.
met geen begin, en geen eind.
het spectrum zou dan onze dimensie zijn.
buiten die dimensie zijn andere dingen mogelijk, ga je hoger in het spectrum, gaat tijd sneller, lager in het spectrum tijd langzamer bijvoorbeeld.

iemand enig id ?
hoe wij ons kunnen verplaatsen.

[GeeBee]

1) Daarom hebben we de Plancklengte. Kleinere lengtes dan deze bestaan wel, maar hebben geen betekenis.
https://nl.m.wikipedia.org/wiki/Plancklengte

2) Aan de andere kant is de Planckconstante weer zo verwaarloosbaar klein op "onze menselijke schaal" dat we ons zonder probleem met gelimiteerde snelheid kunnen verplaatsen.

[Reactie gewijzigd door GeeBee op 22 juli 2024 19:27]

[itcouldbeanyone]

bedankt antwoord op me vraag

[donderdraak]

Wat is de relatie tussen nobelprijs winnaars voor natuurkunde en de techniek op tweakers?

[Standeman]

Waarschijnlijk omdat techniek uiteindelijk komt uit fundamenteel (Natuurkundig) onderzoek en daardoor interesant gevonden wordt door 80% van de userbase

[ZGahn]

Ik wilde graag reageren op een aantal dingen die hierboven genoemd/gevraagd zijn;

1) het verschil tussen massa en 'smaak'/familie. Neutrinos hebben 3 mogelijk massa-staten, en 3 mogelijke smaken, maar deze staan niet 1-op-1. Een voortbewegend neutrino heeft 1 massa, maar verkeert in een superpositie van smaken. Zodra een neutrino interacties heeft met andere deeltjes moet het 1 smaak 'kiezen' uit die superpositie, en welke smaak het kiest is een kans proces waarvan de details afhangen van de massa.
Daarom is het heel moeilijk om bv de massa van een muon-neutrino te meten. Wat we wel erg goed kunnen is het massaverschil tussen de verschillende massa-staten meten (of eigenlijk, het kwadraat van het massaverschil).

2) het feit dat neutrinos massa hebben is inderdaad van invloed op de evolutie van het heelal. In de eerste plaats dragen ze ongeveer een half procent bij aan het huidige massa-energie-budget van het univsersum. Maar belangrijker is dat massieve neutrinos de ontwikkeling van kleine over-dichtheden in het vroege heelal beinvloeden. Dit effect kunnen we meten in cosmologische waarnemingen zoals de kosmische microgolf achtergrond straling en censussen van sterrenstelsels. Tot nu toe echter nog niet met genoeg precies, en we hebben dan slechts een maximum voor de totale neutrinos massa (alle 3 de staten bij elkaar opgeteld).

3) met de metingen uit punt 1 en punt 2, weten we nu vrij veel over de massa van neutrinos. We weten het massaverschil tussen de staten, maar nog niet het 'nulpunt'. Wel geeft punt 1 een minimum total massa (ongeveer 0.06 eV), en punt 2 een maximum (ongeveer 0.2 eV), en is het een kwestie van tijd (en preciesere metingen) voordat we ook dat weten

4) als laatste is er nog een essentieel gevolg voor ons begrip van de fundamentele fysica. Inderdaad, de wiskundige beschrijvingen van mogelijke uitbreidingen van het standaard model voor massieve neutrinos bestonden al lang. Maar wat wel-of-geen massa nou zo belangrijk maakt, is dat voor wel-massa je extra onderdelen en dus fenomenen nodig hebt in het standaard model (SM). Het opent als het ware de deur naar nieuwe fysica.
Dit raakt ook aan de vraag waarom neutrinos nou eignenlijk oscilleren; om dat (en de massa) de faciliteren heb je typisch een nieuwe kracht of een nieuw deeltje nodig (ten opzichte van het massaloze-neutrino-SM).
We weten nog niet wat die uitbreiding is. Er zijn wel veel opties die zijn/worden onderzocht. Bijvoorbeeld steriele neutrinos. Dat zijn zwaardere versies van de gewone neutrinos, maar die kunnen uberhaupt geen interacties hebben met de rest van de deeltjes, maar ze doen wel mee aan de neutrino oscillaties (een heeeel klein beetje).
En ook hier geldt vervolgens, als we erachter kunnen komen welke uitbreiding er nodig is, welke nieuwe deuren opent dat?

[Hertog_Martin]

Hoeveel is er eigenlijk aan kennis veranderd wat betreft een havo/vwo natuurkunde boek van 20 jaar geleden?

[Playa del C.]

De wetenschappelijke kennis gaat veel verder dan een havo/vwo boek. De ondertussen 'oude' relativiteitstheorie van Einstein uit het begin van de 20e eeuw, komt bijvoorbeeld niet als lesstof voor in vwo 6. Soms staan er hier en daar wel verwijzingen en sommige docenten vinden het leuk om wel iets met de stof te doen natuurlijk.

Wat mij erg opviel was hoe 'weinig' en hoe 'simpel' de natuurkunde in vwo 6 eigenlijk was ten opzichte van de kennis die bij de studie natuurkunde hoort. En dan nog is het idee dat de mensheid als geheel nog steeds minder dan 1% van alle mogelijke wetenschappelijke kennis heeft beschreven. Maar dat laatste is natuurlijk niet te testen.

De onderzoeken aan neutrino's waren mij ook bekend in mijn studietijd, tien jaar geleden, maar uiteraard hebben de studenten van twintig jaar geleden dit niet meegekregen in hun studie. Dus op wo niveau worden er inderdaad wel boeken, artikelen en andere bronnen aangepast, vervangen of toegevoegd.